DE102013107188A1 - Blank of silicon, process for its preparation and use thereof - Google Patents

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Dr. Seidl Albrecht
Andreas Voitsch
Matthias Müller
Christian Kudla
Dietmar Jockel
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Christian Lemke
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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von mono- oder quasimonokristallinem Silizium, welches bevorzugt nach dem Verfahren der gerichteten Erstarrung hergestellt wird, für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie zum Beispiel für Showerheads oder Sputtertargets. Die Blanks weisen erfindungsgemäß eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von 102 bis 106 cm–2 im seinem sowohl versetzungscluster- als auch kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen und einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,2 Ωcm auf, können Fremdkörner, Zwillingskorngrenzen oder Cluster an Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten und sind somit kostengünstiger und effizienter hergestellbar als Blanks aus monokristallinem Silizium nach den Czochralski oder Float Zone Verfahren.The invention relates to the use of monocrystalline or quasi-monocrystalline silicon, which is preferably produced by the directional solidification method, for functional components in systems for semiconductor processing, such as for showerheads or sputtering targets. According to the invention, the blanks have a concentration of individual dislocations in the range from 102 to 106 cm −2 in their volume free of both dislocation clusters and small-angle grain boundaries and a specific resistance of 0.001 to 0.2 Ωcm, can contain foreign grains, twin grain boundaries or clusters of dislocations or small-angle grain boundaries and can therefore be produced more cost-effectively and efficiently than blanks made of monocrystalline silicon using the Czochralski or float zone processes.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft allgemein einen Rohling (Blank) aus monokristallinem oder quasimonokristallinem Silizium sowie dessen Herstellung und Verwendung, und betrifft insbesondere die Verwendung von mono- oder quasimonokristallinem Silizium, welches bevorzugt nach dem Verfahren der gerichteten Erstarrung hergestellt wird, für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie zum Beispiel für Showerheads oder Sputtertargets.The invention relates generally to a blank made of monocrystalline or quasi-monocrystalline silicon, and to the production and use thereof, and in particular to the use of mono- or quasi-monocrystalline silicon, which is preferably produced by the method of directional solidification, for functional components in semiconductor processing plants, such as for example for showerheads or sputtering targets.

Stand der TechnikState of the art

Monokristalline niederohmige Sputtertargets aus Silizium werden derzeit ausnahmslos aus Ingots gewonnen, die nach dem Czochralski(CZ)-Verfahren oder dem Float Zone(FZ)-Verfahren hergestellt werden. Niederohmig bezeichnet hier den Bereich des spezifischen Widerstandes von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm, und der verwendete Gutbereich dieser Ingots ist zylindrisch. Der Durchmesser entspricht dem von Ingots, welche zur Herstellung von Halbleiterwafern dienen, welche zur Herstellung integrierter Schaltkreise Verwendung finden. Die Durchmesser solcher Ingots sind durch die Limitierungen des CZ-Verfahrens bzw. FZ-Verfahrens typischerweise auf 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm begrenzt. Im Maximum sind mit dem CZ-Verfahren bisher Durchmesser bis 550 mm erreicht.Monocrystalline low-resistance silicon sputtering targets are currently obtained without exception from ingots produced by the Czochralski (CZ) process or the Float Zone (FZ) process. Here, low resistance refers to the range of resistivity of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm, and the used range of these ingots is cylindrical. The diameter corresponds to that of ingots which are used for the production of semiconductor wafers, which are used for the production of integrated circuits. The diameters of such ingots are typically limited to 150 mm, 200 mm, 300 mm or 450 mm by the limitations of the CZ method or FZ method. At the maximum, the CZ method has so far reached diameters of up to 550 mm.

Die gleichen geometrischen Limitierungen gelten auch für die Herstellung niederohmiger monokristalliner Showerheads, wie sie z. B. in Plasmaätzanlagen, Plasmareinigungsanlagen oder Beschichtungsanlagen verwendet werden.The same geometric limitations also apply to the production of low-resistance monocrystalline showerheads, as they are, for. B. in plasma etching, plasma cleaning or coating equipment can be used.

Da die Herstellung von CZ-Ingots größer 320 mm Rohdurchmesser extrem teuer und kaum verfügbar ist, wird dieses Material für solche Funktionsbauteile nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Oft wird notgedrungen auf preiswertes multikristallines Material zurückgegriffen, das allerdings Nachteile bei der Anwendung hat.Since the production of CZ ingots larger than 320 mm raw diameter is extremely expensive and hardly available, this material is used for such functional components only in exceptional cases. Often it is necessary to resort to inexpensive multicrystalline material, which, however, has disadvantages in the application.

Die an derartige Funktionsbauteile gestellten Qualitätsanforderungen beinhalten bisher stets intrinsische Materialqualitätsanforderungen bzgl. Gehalt an metallischen Verunreinigungen, Stickstoff und Sauerstoff.The quality requirements placed on such functional components hitherto always involved intrinsic material quality requirements with regard to the content of metallic impurities, nitrogen and oxygen.

Je nach Anwendungsfall wird noch eine Dotierungsart (p-leitend oder n-leitend), ein elektrischer Widerstand z. B. 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm, eine bestimmte kristallografische Orientierung in Verbindung mit dem Format (rund oder rechteckig) und eine bestimmte Reinheit (z. B. 6 N) gefordert (vgl. beispielsweise die Anforderungen für ein Sputtertarget auf http://www.spm.li/deutsch/sputtering-targets/silizium/ ).Depending on the application is still a doping (p-type or n-type), an electrical resistance z. 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm, a particular crystallographic orientation in connection with the format (round or rectangular) and a certain purity (eg 6 N) are required (see for example the requirements for a sputtering target) http://www.spm.li/deutsch/sputtering-targets/silizium/ ).

Da am Markt neben CZ- bzw. FZ-Material kein anderes monokristallines Material entsprechender Dotierung erhältlich ist, wurde nie hinterfragt, ob die hohe Qualität des teuren CZ-Materials bzw. des noch teureren FZ-Materials für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie zum Beispiel niederohmige Showerheads oder niederohmige Sputtertargets wirklich zwingend notwendig ist.Since no other monocrystalline material of corresponding doping is available on the market in addition to CZ or FZ material, it was never questioned whether the high quality of the expensive CZ material or the even more expensive FZ material for functional components in semiconductor processing equipment such as low-impedance showerheads or low-impedance sputtering targets is really imperative.

In der Photovoltaikindustrie ist der elektrische Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen das wichtigste Qualitätskriterium für deren Einsatz. Es ist bekannt, dass mit monokristallinen Solarwafern, die nach dem CZ-Verfahren hergestellt werden, höhere Wirkungsgrade erzielt werden können als mit multikristallinen Solarwafern. Ursache hierfür sind insbesondere Rekombinationen von unter Sonneneinstrahlung erzeugten Ladungsträgern an der Vielzahl im Material vorhandener Korngrenzen.In the photovoltaic industry, the electrical efficiency of the solar cells used is the most important quality criterion for their use. It is known that monocrystalline solar wafers produced by the CZ process can achieve higher efficiencies than multicrystalline solar wafers. This is due, in particular, to recombinations of charge carriers generated under solar irradiation at the large number of grain boundaries present in the material.

Für die Photovoltaikindustrie wurde gemäß dem Stand der Technik ein Verfahren der gerichteten Erstarrung von Ingots entwickelt, um einheitlich(100)-orientierte Solarzellen ohne Korngrenzen und dadurch leistungsstärkere Solarzellen herstellen zu können (vgl. EP 2028292 , WO 2007/084934 , WO 2009/014957 ). Bei diesem Verfahren finden auf dem Tiegelboden angeordnete monokristalline Keime Verwendung, welche die gerichtete Erstarrung einleiten und führen sollen. Die Anmelder dieser Patente haben die beschriebenen Herstellungsverfahren und die Methoden der Materialevaluierung jedoch nicht für andere Anwendungsfälle weiterentwickelt, da sie diese Anwendungsfälle weder in Betracht gezogen noch für möglich gehalten haben. Exemplarisch belegen dies die Aussagen in [0002] der EP 2028292 oder [003] in WO 2007/084934 oder [002] in WO 2009/014957 .According to the state of the art, a method of directional solidification of ingots was developed for the photovoltaic industry in order to be able to produce uniform (100) -oriented solar cells without grain boundaries and thus more powerful solar cells (cf. EP 2028292 . WO 2007/084934 . WO 2009/014957 ). In this method, arranged on the bottom of the crucible monocrystalline seeds use that initiate directional solidification and should lead. However, the applicants of these patents have not further developed the described production methods and the methods of material evaluation for other applications, since they have neither considered nor considered these applications possible. This is exemplified by the statements in [0002] EP 2028292 or [003] in WO 2007/084934 or [002] in WO 2009/014957 ,

Bei diesen speziell für die Photovoltaikindustrie entwickelten Kristallisationsverfahren wird nach Abtrennen eines Randbereiches, welcher sich durch die standardisierte Tiegelgröße zwangsläufig ergibt, und dem Abtrennen eines Deckel- und Bodenbereiches der gesamte Ingot zu Solarwafern weiterverarbeitet. In these crystallization processes developed especially for the photovoltaic industry, the entire ingot is further processed into solar wafers after the separation of an edge region, which inevitably results from the standardized crucible size, and the separation of a lid and bottom region.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die Erfindung hat das Ziel, ein mono- oder quasimonokristallines Silizium-Material für niederohmige mono- oder quasimonokristalline Funktionsbauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung bereitzustellen, das wesentlich preiswerter als monokristallines Material, das aus dem CZ- bzw. FZ-Verfahren entstammt, herzustellen ist und das nur solche technischen Anforderungen an diese Funktionsbauteile wie z. B. niederohmige Sputtertargets oder niederohmige Showerheads erfüllt, welche für den Anwendungsfall auch tatsächlich zwingend sind.The invention aims to provide a mono- or quasi-monocrystalline silicon material for low-resistance mono- or quasi-monocrystalline functional components for use in semiconductor processing equipment, which is much less expensive to produce than monocrystalline material originating from the CZ or FZ process and that only such technical requirements for these functional components such. As low-impedance sputtering or low-impedance showerheads met, which are actually mandatory for the application.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Blank (Rohling) nach Anspruch 1, durch eine Verwendung nach Anspruch 12 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 16. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.This object is achieved by a blank (blank) according to claim 1, by a use according to claim 12 and by a method according to claim 16. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Beispiele für Funktionsbauteile im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind insbesondere Sputtertargets und Showerheads. Showerheads wie sie z. B. in Plasmaätzanlagen Verwendung finden, werden synonym oft auch als Elektrodenplatten oder Shower Head Elektroden oder Gas Distribution Plates bezeichnet.Examples of functional components in the context of the present application are in particular sputtering targets and showerheads. Showerheads like you B. are used in plasma etching, are synonymous often referred to as electrode plates or shower head electrodes or gas distribution plates.

Der Begriff „Blank”, wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezeichnet einen Rohling oder ein Halbzeug, welches aus einem nach einer Züchtung entstehenden Rohkristall herausgearbeitet wird, um die Materialqualität dieses Blanks an seiner Oberfläche und/oder in seinem Inneren bewerten zu können. Ein für die beabsichtigte Anwendung als verwendbar bewertetes Blank erfährt nach seiner Bewertung eine weitere Bearbeitung, um die finale Geometrie und Oberflächenqualität des Bauteiles einzustellen.The term "blank", as used in the present application, refers to a blank or a semi-finished product which is produced from a crude crystal produced after a cultivation in order to be able to evaluate the material quality of this blank on its surface and / or in its interior , A blank deemed usable for the intended application undergoes further processing after its evaluation to adjust the final geometry and surface quality of the component.

Das erfindungsgemäße mono- oder quasimonokristalline Silizium-Kristallmaterial für Funktionsbauteile ist nur so gut wie wirklich erforderlich und kann damit kostengünstiger als herkömmlich hergestellt werden. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß Kostenvorteile dadurch realisiert werden, dass nur die für ein zufriedenstellendes Funktionsbauteil unbedingt notwendigen Eigenschaften eingehalten werden. Es wurde überraschenderweise herausgefunden, dass der Grad der Ausprägung bestimmter Defekte und bestimmte Defekte selbst, die in für Halbleiterwafer verwendbarem Silizium-Material nicht oder nicht in dem Maße auftreten dürfen, die Funktionstüchtigkeit von Funktionsbauteilen zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigen. Für Funktionsbauteile einer Größe, die mit den gängigen Kristallisationsverfahren für monokristallines Silizium (CZ, FZ) nicht oder nur extrem teuer herstellbar sind, ergibt sich sogar erstmals die Möglichkeit, diese aus dem vergleichsweise defekthaltigeren monokristallinen oder quasimonokristallinen Silizium nach vorliegender Erfindung monolithisch zu fertigen. Bisher mussten diese großen Funktionsbauteile entweder als ganzes Teil aus multikristallinem Material gefertigt werden oder aus monokristallinen oder multikristallinen Materialsegmenten zusammengefügt werden. Funktionsbauteile aus multikristallinem Material weisen jedoch weit geringere Standzeiten auf. Segmentierte Funktionsbauteile haben einen hohen Fertigungsaufwand.The mono- or quasi-monocrystalline silicon crystal material according to the invention for functional components is only as good as really necessary and can thus be produced more cost-effectively than conventionally. In other words, according to the invention, cost advantages can be realized in that only the properties absolutely necessary for a satisfactory functional component are maintained. It has surprisingly been found that the degree of manifestation of certain defects and certain defects themselves, which may or may not occur in semiconductor silicon usable material, do not or do not significantly affect the performance of functional components for use in semiconductor processing equipment. For functional components of a size which can not be produced or are only extremely expensive to produce using the conventional crystallization methods for monocrystalline silicon (CZ, FZ), it is even possible for the first time to monolithically produce these from the comparatively more defect-resistant monocrystalline or quasi-monocrystalline silicon according to the present invention. Until now, these large functional components either had to be manufactured as a whole part from multicrystalline material or assembled from monocrystalline or multicrystalline material segments. However, functional components made of multicrystalline material have far shorter service lives. Segmented functional components have a high production cost.

Überraschenderweise wurde von den Erfindern auch herausgefunden, dass eine flächige Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer (oder einer damit korrelierenden physikalischen Größe) bei Silizium und anderen Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid bzw. anderen sogenannten Verbindungshalbleitern ein sehr einfaches, schnelles und zerstörungsfreies Verfahren ist, um die Standzeit oder den Verschleiß (Materialabtrag durch Ätzgaseinwirkung oder Generierung störender Partikel) der Funktionsbauteile unter Betriebsbedingungen grob zu bewerten. Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustern (bei bestimmten elektrischen Anwendungen kritisch) unterscheiden. Die Messtechnik, eigentlich zur Bewertung der elektrischen Qualität von Solarsilizium bzw. zur Bestimmung des erreichbaren Wirkungsgrades von Solarzellen entwickelt, kann mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Bewertung der strukturellen Qualität bzw. chemischen Stabilität von mono oder quasimonokristallinem Silizium genutzt werden. Somit stehen einfache, kostengünstige und rasch auszuführende Verfahren zur Bewertung zur Verfügung.Surprisingly, it has also been found by the inventors that planar determination of carrier lifetime (or physical quantity correlating therewith) with silicon and other semiconductor materials such as germanium, gallium arsenide and other so-called compound semiconductors is a very simple, fast and nondestructive method to improve tool life To roughly evaluate the wear (removal of material by etching gas or generation of interfering particles) of the functional components under operating conditions. Areas with only isolated dislocations can thus be distinguished from those with dislocation clusters (critical in certain electrical applications). The measuring technique, actually developed for evaluating the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for evaluating the structural quality or chemical stability of mono or quasi-monocrystalline silicon. Thus, simple, inexpensive and quick to perform evaluation procedures are available.

Hierbei wird die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks mit beispielsweise folgenden Verfahren untersucht: μ-PCD (microwave-detected Photo-Conductance Decay measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photolumineszenz), oder ähnlichen rasternden oder bildgebenden Messtechniken.In this case, the surface of the workpiece to be examined is investigated using, for example, the following methods: μ-PCD (Microwave-Detected Photo-Conductance Decay Measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging measurement techniques.

Alle diese Messtechniken ermitteln einen Wert, welcher der Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Oberfläche proportional ist. Hierbei ist die räumliche Auflösung der jeweiligen Messtechniken unterschiedlich; sie kann von einigen um bis einigen mm reichen. In der Nähe eng benachbarter Versetzungslinien – d. h. im Bereich von Versetzungsclustern – sinkt die Ladungsträgerlebensdauer stark ab, da die Versetzungslinien bzw. Kleinwinkelkorngrenzen Orte sehr hoher Ladungsträgerrekombination darstellen und die Abstände der Versetzungslinien die Diffusionslänge der Ladungsträger unterschreitet. Einzige Bedingung an das Material ist, dass keine anderen Rekombinationsmechanismen die Rekombination an den Versetzungslinien dominant überlagern dürfen. Das heißt, eine massive Kontamination z. B. mit im Volumen gleichmäßig verteilten metallischen Verunreinigungen verhindert diese Art der Erfassung von Versetzungsclustern. Insbesondere Übergangsmetalle wie Fe, Cr, Co, Ni, Ti und dergleichen sollten eine Konzentration von 0,1 ppm nicht überschreiten. All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface. Here, the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; it can range from a few to a few mm. In the vicinity of closely spaced dislocation lines - ie in the region of dislocation clusters - the carrier lifetime decreases greatly, since the dislocation lines or small angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines go below the diffusion length of the charge carriers. The only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. That is, a massive contamination z. B. with evenly distributed in volume metallic impurities prevents this type of detection of dislocation clusters. In particular, transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.

Ein bekanntes keimbasiertes Verfahren der gerichteten Erstarrung von Silizium zur Herstellung von quasimonokristallinen Si-Ingots für die Photovoltaikindustrie wird entsprechend vorliegender Erfindung abgewandelt und insbesondere um ein Zuteilungs- und Bewertungsverfahren derart ergänzt, dass ein Volumenanteil des entstehenden Ingots definiert und bewertet wird, so dass er für die Herstellung niederohmiger Funktionsbauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, z. B. Sputtertargets oder Showerheads mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm Verwendung finden kann.A known grain-based method of directional solidification of silicon for the production of quasi-monocrystalline Si ingots for the photovoltaic industry is modified according to the present invention and supplemented in particular by an allocation and evaluation process such that a volume fraction of the resulting ingot is defined and evaluated so that it the production of low-resistance functional components for use in semiconductor processing equipment, eg. B. sputtering targets or showerheads with a resistivity in the range of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm can be used.

Das Zuteilungs- und Bewertungsverfahren kann jedoch ausdrücklich auch für anders hergestelltes Silizium-Kristallmaterial Verwendung finden. Dazu zählt Silizium-Material, das nach dem bekannten Czochralski-Verfahren hergestellt wurde und ungewollte Zwillinge enthält und dadurch für Halbleiterwafer nicht einsetzbar ist, oder Silizium-Material, das nach einem dem Kyropoulos-Verfahren angelehnten Züchtungsverfahren für Silizium ohne Tiegelkontakt hergestellt ist (vgl. Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372(2013)121–128 .However, the allotment and evaluation method can be used expressly for differently manufactured silicon crystal material. These include silicon material, which was produced by the known Czochralski method and contains unwanted twins and thus can not be used for semiconductor wafers, or silicon material, which is produced by a method based on the Kyropoulos method for growing silicon without crucible contact (see. Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372 (2013) 121-128 ,

Im Falle der Verwendung eines keimbasierten Züchtungsverfahrens in einem Tiegel nach der Methode der gerichteten Erstarrung zur erfindungsgemäßen Herstellung des mono bzw. quasimonokristallinen Siliziums in einer Züchtungsanlage des Bridgman-Types oder einer VGF-Anlage (Vertical Gradient Freeze) werden prinzipiell die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:

  • – Herstellen eines mono- oder quasimonokristallinen Ingots durch gerichtete Erstarrung in einem Schmelztiegel;
  • – Bodenschnitt, Mantelschnitt und Deckelschnitt am Ingot nach dessen Abkühlung und Entformung aus dem Schmelztiegel, um einen Ingotkern zu erhalten;
  • – Festlegen einer monokristallinen Prüfoberfläche auf der Oberfläche des Ingotkerns oder einer von diesem abgetrennten Scheibe;
  • – Prüfung und Bewertung der Prüfoberfläche hinsichtlich Gehalt, Verteilung und/oder Qualitätsrelevanz von zumindest einer der Größen: Fremdkörnern und Zwillingsgrenzen, Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, durch Anfertigung eines Scans der Prüfoberfläche und flächenmäßiger Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer oder einer daraus abgeleiteten physikalischen Größe zur Identifizierung von zumindest einem potentiellen Blank; und
  • – Heraustrennen des Blanks, so dass das herausgetrennte Blank in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 bis kleiner 1 × 106 cm–2 aufweist und wobei das herausgetrennte Blank einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,2 Ωcm aufweist.
In the case of using a germ-based culture method in a crucible according to the method of directional solidification for the production according to the invention of mono or quasi-monocrystalline silicon in a Bridgman-type cultivating plant or a Vertical Gradient Freeze (VGF) plant, the following process steps are carried out in principle:
  • - Producing a mono- or quasi-monocrystalline ingot by directional solidification in a crucible;
  • - Bottom section, mantle cut and lid cut on the ingot after its cooling and demolding from the crucible to obtain a Ingotkern;
  • - determining a monocrystalline test surface on the surface of the ingot core or a slice separated therefrom;
  • Testing and evaluation of the test surface with regard to content, distribution and / or quality relevance of at least one of the following: foreign and twin boundaries, clusters of dislocations or small angle grain boundaries, by making a scan of the test surface and areal determination of the carrier lifetime or a physical quantity derived therefrom to identify at least one potential blank; and
  • Separating out the blank such that the blank removed in areas on its top or bottom containing no clusters of dislocations or small angle grain boundaries has a concentration of discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 to less than 1 × 10 6 cm -2 and wherein the separated blank has a resistivity of 0.001 to 0.2 Ωcm.

Dieser Ablauf besteht aus weiteren Detailschritten:
Es wird der Tiegelboden eines Schmelztiegels mit einem oder mehreren mono- oder quasimonokristallinen belegt, bevorzugt mit stark dotierten Silizium-Keimen.
This process consists of further detailed steps:
It is the crucible bottom of a crucible with one or more mono- or quasi-monocrystalline occupied, preferably with heavily doped silicon nuclei.

Der Tiegel wird dann weiter mit Silizium-Rohstoff unter Zugabe von wesentlich mehr Dotierstoff als für die Herstellung von Solarzellen erforderlich befüllt, d. h. z. B. für den o. g. Bereich des spezifischen Widerstandes von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm und die Verwendung eines oder mehrerer bereits geeignet dotierten Keime wird eine große Menge an Dotierstoff zugegeben, die zu einer Anfangskonzentration in der Schmelze von ca. 1,2·1020 Atome/cm3 bis 1,0·1017 Atome/cm3 des Dotierstoffes Bor (B) bzw. ca. 7,4·1019 Atome/cm3 bis 3,1·1016 Atome/cm3 des Dotierstoffes Phosphor (P) führt.The crucible is then further filled with silicon raw material with the addition of substantially more dopant than required for the production of solar cells, ie, for example, for the above-mentioned range of resistivity of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm and the use of one or more already suitable doped nuclei, a large amount of dopant is added, resulting in an initial concentration in the melt of about 1.2 × 10 20 atoms / cm 3 to 1.0 × 10 17 atoms / cm 3 of the dopant boron (B) or ca 7.4 × 10 19 atoms / cm 3 to 3.1 × 10 16 atoms / cm 3 of the dopant phosphorus (P).

Zur gerichteten Erstarrung wird der befüllte Tiegel in einer technisch modifizierten Anlage zur gerichteten Erstarrung von Silizium platziert, insbesondere einer VGF-Anlage.For directed solidification, the filled crucible is placed in a technically modified system for the directional solidification of silicon, in particular a VGF plant.

Anschließend erfolgt ein Aufschmelzen der Rohstoffe, Anschmelzen des Keims oder der Keime ohne Tastung der Phasengrenze, gefolgt von einer gerichteten Erstarrung des flüssigen Siliziums zur Ausbildung eines Ingots. This is followed by melting of the raw materials, melting of the germ or germs without keying the phase boundary, followed by a directional solidification of the liquid silicon to form an ingot.

Nach Abkühlen, Entnahme und Entformung des Ingots kann das Abschneiden des Ingotbodens vom Ingot zur bevorzugten Wiederverwendung als Keimmaterial folgen. Die Schnittqualität gestattet dabei, an beiden gegenüberliegenden Schnittflächen ggf. multikristalline Randbereiche visuell zu erkennen und ggf. von der Keimplatte abzutrennen. Anschließend kann das Abschneiden der Mantelschicht vom Ingot in einer vorbestimmten Dicke oder einer Dicke, wie sie an der Schnittfläche visuell als nicht monokristallin erkennbar ist, erfolgen. Anschließend kann ein Zerteilen des verbliebenen Ingots in Scheiben entsprechend der gewünschten Dicke erfolgen, um daraus Blanks für Funktionsbauteile wie z. B Sputtertargets oder Showerheads fertigen zu können. Ggf. kann eine Oberflächenbearbeitung der Scheibenflächen zur besseren Gewährleistung der visuellen Unterscheidbarkeit multikristalliner und quasimonokristalliner Bereiche der bearbeiteten Flächen sowie Markierung des quasimonokristallinen Oberflächenbereichs erfolgen. Anschließend kann der markierte quasimonokristalline Oberflächenbereich (Prüfoberfläche) an der Scheibe oder an dem Ingot auf das Vorhandensein und den Ort von detektierten Fremdkörnern bzw. von detektierten Zwillingsgrenzen geprüft werden.After cooling, removal and demolding of the ingot, the cutting of the ingot soil from the ingot can be followed for preferential reuse as seed material. The quality of the cut makes it possible, if necessary, to visually recognize multicrystalline edge regions on both opposite cut surfaces and, if appropriate, separate them from the germplate. Subsequently, the cutting off of the cladding layer from the ingot can take place in a predetermined thickness or a thickness which is visually recognizable as non-monocrystalline at the cut surface. Subsequently, a division of the remaining ingot into slices can be made according to the desired thickness to blanks for functional components such. B to make sputtering targets or showerheads. Possibly. For example, a surface treatment of the wafer surfaces may be carried out to better ensure the visual distinctness of multicrystalline and quasi-monocrystalline regions of the processed surfaces and to mark the quasi-monocrystalline surface region. Subsequently, the marked quasi-monocrystalline surface region (test surface) on the disk or on the ingot can be checked for the presence and the location of detected foreign grains or detected twin boundaries.

Die Prüfung eines ausgewählten quasimonokristallinen Oberflächenbereiches (Prüfoberfläche) der Scheibe kann mittels eines von drei bevorzugten elektrischen Verfahren zur Quantifizierung des Gehalts dieser Prüfoberfläche an Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen erfolgen. Dabei wird detektiert, ob und an welchem Ort auf der Prüfoberfläche Pixel mit Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Anschließend erfolgt eine Bestimmung des prozentualen Anteils mit Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen behafteter Pixel an der Prüfoberfläche, sowie eine Festlegung von einer oder mehreren neuen Prüfoberflächen der Scheibe, die hinsichtlich ihrer Bewertung bezüglich des prozentualen Anteiles an Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, hinsichtlich ihres Gehaltes an Fremdkörnern und hinsichtlich ihres Gehaltes an Zwillingsgrenzen den Geometrie- und Spezifikationsanforderungen an ein oder mehrere Blanks entsprechen. Anschließend kann ein Heraustrennen der neuen Prüfoberfläche erfolgen, die identisch der Oberfläche des Blanks ist.Examination of a selected quasi-monocrystalline surface area (test surface) of the wafer can be made by one of three preferred electrical methods for quantifying the content of this test surface to clusters of dislocations or small angle grain boundaries. In the process, it is detected whether and at which location on the test surface pixels with clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are present. Subsequently, a determination is made of the percentage of clusters of dislocations or small-angle grain boundaries of adhered pixels on the test surface, as well as a specification of one or more new test surfaces of the disk, in terms of their content with respect to the percentage of clusters of dislocations or small angle grain boundaries Foreign grains and, in terms of their content of twin boundaries, the geometry and specification requirements for one or more blanks. Subsequently, a separation of the new test surface can be made, which is identical to the surface of the blank.

Mono- bzw. quasimonokristallines Material im Sinne dieser Erfindung und unabhängig, ob es nach einer Methode der gerichteten Erstarrung, mit einem CZ- oder FZ-Verfahren oder einem dem Kyropoulos-Verfahren angelehntem Züchtungsverfahren für Silizium ohne Tiegelkontakt hergestellt wurde, enthält eine mittlere Konzentration von isolierten Versetzungen zwischen 102 cm–2 und 106 cm–2, typischerweise zwischen 103 cm–2 und 105 cm–2. Hierin unterscheidet sich das erfindungsgemäße mono- oder quasimonokristalline Silizium-Material vom monokristallinen Silizium, hergestellt z. B. mit dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren mit dem Verwendungsziel als Halbleiterwafer zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Dieser Verwendungszweck erfordert eine Konzentration isolierter Versetzungen von üblicherweise unter 102 cm–2 und ist typischerweise sogar ganz oder nahezu frei von Versetzungen. Allerdings kann auch monokristallines Silizium aus dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren sehr hohe Konzentrationen an Versetzungen aufweisen, falls es beim Kristallisationsprozess zu Störungen kommt. Solches Material ist aber untypisch und vor allem wegen der damit dann verbundenen sehr hohen mechanischen Spannungen auch schwer zu bearbeiten (Czochralski und Floating Zone Kristalle mit lokal hohen Versetzungsdichten reißen leicht).Mono- or quasi-monocrystalline material according to this invention and regardless of whether it was prepared by a method of directional solidification, with a CZ or FZ process or a method based on the Kyropoulos method for silicon without crucible contact, contains a mean concentration of isolated dislocations between 10 2 cm -2 and 10 6 cm -2 , typically between 10 3 cm -2 and 10 5 cm -2 . Herein, the mono- or quasi-monocrystalline silicon material according to the invention differs from monocrystalline silicon, produced e.g. B. with the Czochralski or the floating zone method with the intended use as a semiconductor wafer for the production of microelectronic devices. This use requires a concentration of isolated dislocations of usually below 10 2 cm -2 and is typically even wholly or nearly free of dislocations. However, monocrystalline silicon from the Czochralski or the floating zone process can also have very high concentrations of dislocations if disruptions occur in the crystallization process. However, such material is atypical and, above all, because of the then very high mechanical stresses also difficult to work (Czochralski and floating zone crystals with locally high dislocation densities tear easily).

Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren weisen die in den Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung p-dotierter quasimonokristalliner Solarzellen verwendeten Keime einen vergleichsweise sehr hohen Widerstand (typisch 1 Ωcm bis 3 Ωcm bei B-Dotierung) auf. Im Gegensatz dazu können für die Herstellung von niederohmigen Funktionsbauteilen nach der vorliegenden Erfindung Keime verwendet werden, die einen niedrigeren, ja sogar deutlich niedrigeren Widerstand aufweisen.In contrast to the method according to the invention, the microbes used in the methods according to the prior art for the production of p-doped quasi-monocrystalline solar cells have a comparatively very high resistance (typically 1 Ωcm to 3 Ωcm for B doping). In contrast, for the production of low-resistance functional components according to the present invention, it is possible to use germs which have a lower, or even significantly lower resistance.

Auch wird bei dem Verfahren nach Stand der Technik dem über dem(n) Keim(en) angeordneten Silizium-Rohstoff zusätzlich eine geringere Menge an Dotierstoff Bor als in der vorliegenden Erfindung zugegeben. Nach dem Stand der Technik wird ein erhöhter Widerstandsbereich von 1 Ωcm bis 3 Ωcm eingestellt.Also, in the prior art method, the silicon raw material disposed above the seed (s) is additionally added with a smaller amount of boron dopant than in the present invention. According to the prior art, an increased resistance range of 1 Ωcm to 3 Ωcm is set.

FIGURENÜBERSICHTFIGURE OVERVIEW

Detaillierter werden die vorgenannten Prozessschritte bei Verwendung der Methode der gerichteten Erstarrung zur Herstellung des mono- oder quasimonokristallinen Siliziums wie folgt anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Die nachfolgenden Beschreibungen und Figuren beziehen sich auf das VGF-Verfahren als eines der Verfahren der gerichteten Erstarrung. Nach diesem Verfahren hergestelltes Silizium-Material wird als VGF-Mono-Silizium bezeichnet. Es zeigen:In more detail, the aforementioned process steps using the directional solidification method for producing the mono- or quasi-monocrystalline silicon will be described below with reference to the accompanying drawings. The following descriptions and figures relate to the VGF process as one of the methods of directional solidification. Silicon material produced by this process is referred to as VGF mono-silicon. Show it:

1 einen Vertikalschnitt durch einen Si-Ingot der Größe Generation 4, der nach einem Kristallisationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, mit beispielhafter Verteilung des Materials in monokristallin und multikristallin sowie einer möglichen Zerteilung beispielsweise horizontal herausschneidbarer Scheiben zur Gewinnung von Blanks für Funktionsbauteile, z. B. für Sputtertargets oder Showerheads; 1 a vertical section through a generation 4 Si ingot, which is prepared by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in monocrystalline and multicrystalline and a possible fragmentation of, for example, horizontally herausschneidbarer slices for obtaining blanks for functional components, eg. For sputtering targets or showerheads;

2 einen weiteren Vertikalschnitt durch einen Si-Ingot der Größe Generation 5, der nach einem Kristallisationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, mit beispielhafter Verteilung des Materials in monokristallin und multikristallin sowie einer möglichen Zerteilung beispielsweise horizontal herausschneidbarer Scheiben zur Gewinnung von Blanks für Funktionsbauteile, z. B. für Sputtertargets oder Showerheads; 2 a further vertical section through a size 5 Si ingot, which is prepared by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in monocrystalline and multicrystalline and a possible fragmentation, for example, horizontally herausschneidbarer slices to obtain blanks for functional components, eg. For sputtering targets or showerheads;

3a und 3b eine photographische Aufnahme eines aus einem solchen Ingot in mittlerer Höhe heraus geschnittenen Scheibe mit monokristallinem Bereich A und multikristallinem Bereich B mit beispielhaft eingezeichneten Blanks für z. B. Sputtertargets oder Showerheads; 3a and 3b a photograph of a cut out of such an ingot at mid-height slice with monocrystalline region A and multicrystalline region B exemplified blanks for z. Sputtering targets or showerheads;

4a und 4b PL-(links) und μPCD-Aufnahmen (rechts) einer sägerauen Waferoberfläche von monokristallin-versetzungsfreiem Silizium-Material, das nach einem CZ-Verfahren hergestellt wurde (ringförmige Strukturen sind sichtbar); 4a and 4b PL (left) and μPCD images (right) of a rough-cut wafer surface of monocrystalline dislocation-free silicon material produced by a CZ process (ring-shaped structures are visible);

4c und 4d entsprechende PL-(links) und μPCD-Aufnahmen (rechts) einer sägerauen Waferoberfläche von versetzungsbehafteten monokristallinen Silizium-Material, das nach einem VGF-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde (keine ringförmigen Strukturen sichtbar, keine Cluster von Versetzungen, keine Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen); 4c and 4d corresponding PL (left) and μPCD images (right) of a rough-sawn wafer surface of dislocation monocrystalline silicon material prepared by a VGF process according to the present invention (no ring-shaped structures visible, no clusters of dislocations, no foreign grains or twin boundaries );

5a und 5b entsprechende PL- und μPCD-Aufnahmen einer sägerauen Waferoberfläche von monokristallinen Silizium-Material, das einem bodennahen Bereich eines Ingots entstammt, der nach einem VGF-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, worin Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen sichtbar sind; 5a and 5b corresponding PL and μPCD images of a rough-cut wafer surface of monocrystalline silicon material originating from a bottom-near region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are visible;

6a und 6b entsprechende PL- und μPCD-Aufnahmen einer sägerauen Waferoberfläche von monokristallinen Silizium-Material, das einem deckelnahen Bereich eines Ingots entstammt, der nach einem VGF-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, worin Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen mit höherem Flächenanteil als nach den 5a und 5b sichtbar sind; 6a and 6b corresponding PL and μPCD images of a rough-cut wafer surface of monocrystalline silicon material originating from a capped region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of higher surface area dislocations or small-angle grain boundaries than those of US Pat 5a and 5b are visible;

7 eine PL-Aufnahme einer VGF-monokristallinen Prüfoberfläche aus dem Bereich A eines Ingots. 7 a PL image of a VGF monocrystalline test surface from area A of an ingot.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Als Tiegel kann nach der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein vom Tiegelhersteller innenbeschichteter Ready-To-Use-Tiegel oder ein beim Anwender selbst beschichteter Tiegel (z. B. ein Quarz oder Quarzgut-Tiegel) oder ein Graphittiegel oder ein Si3N4-Tiegel eingesetzt werden. Die Tiegelgrundfläche richtet sich nach der Größe der darin herzustellenden Funktionsbauteile. Es können quadratische Tiegel der Größe G4 (720 mm × 720 mm), G5 (880 mm × 880 mm), G6 (1050 mm × 1050 mm), Zwischengrößen zwischen G4, G5 und G6, oder derzeit noch nicht gebräuchliche noch größere Tiegel bis zu 3000 mm × 3000 mm, runde Tiegel eines Durchmessers größer 450 mm oder auch rechteckige Tiegel der minimalen Grundflächenkantenlänge von 450 mm bzw. maximalen Grundflächenkantenlänge von 3000 mm eingesetzt werden. Eine Tiegelhöhe unter 250 mm ist dabei genauso wenig sinnvoll wie eine Tiegelhöhe (ggf. inkl. Tiegelaufsatz) von größer 800 mm. Als sehr praktikabel haben sich Gesamttiegelhöhen von 450 mm, 550 mm, 650 mm, 780 mm oder dazwischen liegende Größen erwiesen.As a crucible according to the present invention, in principle, a ready-to-use crucible coated inside by the crucible manufacturer or a crucible coated by the user himself (eg a quartz or fused quartz crucible) or a graphite crucible or a Si 3 N 4 crucible may be used become. The crucible base depends on the size of the functional components to be produced therein. It can have square crucibles of size G4 (720 mm × 720 mm), G5 (880 mm × 880 mm), G6 (1050 mm × 1050 mm), intermediate sizes between G4, G5 and G6, or even larger crucibles currently not in use to 3000 mm × 3000 mm, round crucibles with a diameter greater than 450 mm or even rectangular crucibles with a minimum base surface edge length of 450 mm or a maximum base edge length of 3000 mm can be used. A crucible height below 250 mm is just as meaningless as a crucible height (possibly including crucible attachment) of greater than 800 mm. Total crucible heights of 450 mm, 550 mm, 650 mm, 780 mm or sizes in between have proved to be very practical.

Als Keim ist ein nahezu die gesamte innere Grundfläche des Tiegels ausfüllender Flächenkeim besonders sinnvoll. Dieser kann durch einen Bodenschnitt aus einem vorhergehenden Ingot gewonnen werden. Der Keim sollte aus Effektivitätsgründen nicht unnötig dick, aber auch nicht zu dünn sein, damit nicht die Gefahr besteht, dass er in der späteren Ankeimphase komplett aufschmilzt. Als brauchbar haben sich Keimdicken von 15 mm, 30 mm, 45 mm, 50 mm, 70 mm, 80 mm oder Zwischengrößen erwiesen, wobei 40 mm oder 45 mm bevorzugt sind.As a germ, a surface germ filling almost the entire inner surface of the crucible is particularly useful. This can be obtained by a bottom cut from a previous ingot. For reasons of effectiveness, the germ should not be unnecessarily thick, but also not too thin, so that there is no risk of it completely melting in the later germination phase. Seed thicknesses of 15 mm, 30 mm, 45 mm, 50 mm, 70 mm, 80 mm or intermediate sizes have proven useful, with 40 mm or 45 mm being preferred.

Für die Herstellung von niederohmigen Funktionsbauteilen ist die Orientierung der Keime nicht immer von Bedeutung. Die in der Photovoltaik erwünschte(100)-Orientierung der Keime ist für die Herstellung von Showerheads oft gewünscht, für Sputtertargets nicht zwingend, aber aus züchtungstechnischen Überlegungen heraus die bevorzugte Keimorientierung. Je nach Zielstellung kann jedoch auch basierend auf (111)- bzw. (110)- oder noch anders orientierten Keimen gezüchtet werden.For the production of low-resistance functional components, the orientation of the germs is not always important. The desired (100) orientation of the germs in photovoltaics is often desired for the production of showerheads, not necessarily for sputtering targets, but for breeding-technical considerations out the preferred germ orientation. Depending on the objective, however, it can also be bred based on (111) - or (110) - or still differently oriented germs.

Der weiter oben erwähnte und bevorzugte Flächenkeim stellt jedoch keine Begrenzung der Keimverwendungsmöglichkeiten dar. Wenn der Tiegelboden aus kleineren Keimen vollflächig oder bis auf einen kleinen Randbereich vollflächig ausgelegt werden soll, empfiehlt es sich, die einzelnen Keime möglichst ohne Fugen aneinander stoßen zu lassen und auch keine Lücken zuzulassen. Keime können aus Teilen eines Flächenkeimes, einem runden nach einem CZ-Verfahren hergestellten Kristall in der oben angegebenen Keimdicke quadratisch herausgearbeitet werden. Keime können auch aus Längsschnitten der gewünschten oben genannten Dicke aus einem nach einem CZ-Verfahren hergestellten Kristall gewonnen werden. Keime können auch aus senkrecht aus einem zuvor keimbasiert gerichtet erstarrten Ingot als senkrechte Bretter bzw. Barren in der gewünschten oben genannten Dicke herausgeschnitten werden.However, the above-mentioned and preferred area germ does not limit the potential for germination. If the bottom of the crucible is to be laid out over smaller areas or over a small area, it is advisable to allow the individual germs to collide with each other without any joints, and none at all To allow gaps. Germs can be made square out of parts of a surface germ, a round crystal made by a CZ method, in the above seed thickness. Germs may also be obtained from longitudinal sections of the desired above-mentioned thickness from a crystal made by a CZ method. Germs can also be cut out vertically from a previously ingame-based directionally solidified ingot as vertical boards or ingots in the desired thickness mentioned above.

Vorteilhaft aber nicht zwingend, ist für alle Arten der Keimgewinnung zur Verwendung zur Züchtung niederohmiger Ingots, dass bereits der Keim eine hohe Dotierung aufweist, die für den gewünschten Bereich des spezifischen Widerstandes von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm passt. Auch darf der Keim nicht durch Fremdatome, insbesondere metallische Verunreinigungen, verunreinigt sein, da ansonsten die typischerweise für Funktionsbauteile geforderte Reinheit nicht gewährleistet werden kann (z. B. Reinheit 6 N bei Sputtertargets).It is advantageous but not compulsory for all types of seed production for use in the cultivation of low-resistance ingots that the seed already has a high doping which fits the desired range of the specific resistance of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm. Also, the germ must not be contaminated by foreign atoms, especially metallic impurities, otherwise the purity typically required for functional components can not be guaranteed (eg purity 6 N for sputtering targets).

Nach Platzierung der Keime wird das verbleibende Tiegelvolumen noch mit virgin oder recyceltem Si-Rohstoff (mindestens in der Reinheit Solar Grade) und Dotierstoff aufgefüllt. Bei der Befüllung des Tiegels oder des mit einem Tiegelaufsatz versehenen Tiegels wird die sich ergebende Gesamthöhe möglichst ausgenutzt. Eine Befüllhöhe unter 250 mm ist dabei genauso wenig sinnvoll wie eine Befüllhöhe (ggf. inkl. Tiegelaufsatz) von größer 800 mm. Als sehr praktikabel haben sich Gesamttiegelhöhen von 350 mm, 450 mm, 550 mm, 650 mm und 780 mm oder Zwischengrößen erwiesen.After placement of the seeds, the remaining crucible volume is filled with virgin or recycled Si raw material (at least in the purity of solar grade) and dopant. When filling the crucible or provided with a crucible top crucible, the resulting total height is used as possible. A filling height of less than 250 mm is just as meaningless as a filling height (possibly including crucible attachment) of more than 800 mm. Total crucible heights of 350 mm, 450 mm, 550 mm, 650 mm and 780 mm or intermediate sizes have proved to be very practical.

Um in den gewünschten Bereich des Widerstandes von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm zu gelangen, muss z. B. für einen spezifischen Widerstand von 0,02 Ωcm so viel Bor als Dotierstoff hinzugegeben werden, dass sich in der Schmelze eine Anfangskonzentration von 3,25 × 1018 Atomen/cm3 bzw. für einen spezifischen Widerstand von 0,005 Ωcm Bor für eine Konzentration von 2,01 × 1019 Atomen/cm3 hinzugefügt werden, wobei auch andere Dotierungen wie z. B. mit Al oder P möglich sind (mit für das jeweilige Dotierelement angepassten Konzentrationen).To get into the desired range of resistance from 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm, z. For example, for a specific resistance of 0.02 ohm-cm, as much boron as dopant is added, such that an initial concentration of 3.25 × 10 18 atoms / cm 3 in the melt or for a specific resistance of 0.005 ohm-cm boron for one concentration of 2.01 × 10 19 atoms / cm 3 are added, whereby other dopants such. B. with Al or P are possible (with adapted for each dopant concentrations).

Der befüllte Tiegel wird danach in eine Kristallzuchtanlage des Bridgman-Typs oder in eine VGF-Anlage eingebracht. Letztere ist je nach Anlagentyp mit verschiedenen Heizerkonfigurationen ausgestattet. Gebräuchlich sind Anlagen mit lediglich Deckenheizer, Anlagen mit Decken- und Bodenheizer, Anlagen nur mit Mantelheizern, Anlagen mit Decken- und Mantelheizern oder auch Anlagen mit Decken-, Mantel- und Bodenheizer. Erfindungsgemäß wird der Rohstoff von oben her aufgeschmolzen. Durch eine geeignete Temperaturführung der Heizer bei gleichzeitiger Kühlung der Keimschicht wird sowohl dafür gesorgt, dass der zugegebene Rohstoff komplett aufgeschmolzen wird, der oder die Keime jedoch keinesfalls komplett aufgeschmolzen, aber zwingend angeschmolzen werden.The filled crucible is then placed in a Bridgman-type crystal growing facility or in a VGF facility. The latter is equipped with different heater configurations depending on the system type. Commonly used are systems with only ceiling heaters, systems with ceiling and floor heaters, systems only with jacket heaters, systems with ceiling and jacket heaters or systems with ceiling, jacket and bottom heaters. According to the invention, the raw material is melted from above. By a suitable temperature control of the heater with simultaneous cooling of the seed layer is ensured both that the added raw material is completely melted, the germ or the germs are not completely melted, but necessarily melted.

Um das Anschmelzen der Keimschicht verständlich darstellen zu können, wird jeder einzelne Flächenanteil der Keimschicht mit einer Größe von etwa 1 cm2 definiert. Jeder dieser einzelnen Flächenanteile soll bis zu einer definierten Höhe über Tiegelboden angeschmolzen werden. Diese Höhenkoordinate, bis zu der das Anschmelzen eines jeden Flächenanteiles erfolgt, liegt im Bereich von 20% bis 90% der Dicke der eingelegten Keimschicht. Je nach Tiegelgröße, Anlagentyp und Keimdicke werden Bereiche für die angestrebte Höhenkoordinate gefunden, die bevorzugt sind. Beispielsweise sind bei einer Keimdicke von 40 mm ein Bereich der Höhenkoordinate von 35% bis 75% der ursprünglichen Keimdicke oder bei einer Keimdicke von 45 mm ein Bereich der Höhenkoordinate von 30% bis 80% der ursprünglichen Keimdicke bevorzugt. Durch eine geeignete Temperatur-/Zeitführung der Heizer wird erreicht, dass sich im Inneren des Tiegels eine horizontale Phasengrenze in einer Ebenheit ausbildet, die es gestattet, ohne ein Tasten zur Bestimmung der Lage der Phasengrenze die Keimschicht anzuschmelzen. Vorteilhaft wird die Messung der Temperatur nicht im Symmetriezentrum an der Unterseite der Platte vorgenommen, die als Tiegelaufstellplatte bezeichnet wird. Die Messung erfolgt stattdessen an einer Stelle weiter außen, die sich nahe der Tiegelkante befindet und durch diese Lage repräsentative und genaue Messergebnisse liefert, um ein komplettes Aufschmelzen der Keimschicht in Tiegelwandnähe zu verhindern. Diese Gefahr ist dadurch gegeben, dass durch eine Keimkühlung das System dazu neigt, Wärmeflüsse in Richtung Zentrum auszubilden, so dass die Temperatur im Keimschichtzentrum kälter als am Rand der Keimschicht ist. Wichtige Parameter, um dem entgegen zu wirken, stellen die Kühlleistung und die Geometrie der Kühlungsanordnung dar. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich insbesondere beim Ankeimprozess eine ebene Phasengrenze einstellt. Die Geometrie oder vielmehr die gekühlte Fläche muss ungefähr der Fläche des Tiegels entsprechen. Die Position der Temperaturmessstelle muss so gewählt werden, dass sie den Randbereich unter dem Keim erfasst, jedoch nicht von der Kühlung verfälscht wird.In order to be able to represent the melting of the seed layer in an understandable way, each individual area fraction of the seed layer is defined with a size of about 1 cm 2 . Each of these individual areas should be melted to a defined height above the crucible bottom. This height coordinate, up to which the melting of each area fraction takes place, is in the range of 20% to 90% of the thickness of the inserted seed layer. Depending on the size of the pot, the type of plant and the seed thickness, areas are found for the desired height coordinate, which are preferred. For example, with a seed thickness of 40 mm, an area of the height coordinate of 35% to 75% of the original seed thickness or, with a seed thickness of 45 mm, a range of the height coordinate of 30% to 80% of the original seed thickness is preferred. By means of a suitable temperature / time control of the heaters, it is achieved that a horizontal phase boundary forms in the flatness in the interior of the crucible, which makes it possible to melt the seed layer without a key for determining the position of the phase boundary. Advantageously, the measurement of the temperature is not made in the center of symmetry on the underside of the plate, which is referred to as a crucible mounting plate. The measurement is instead carried out at a location further out, which is located near the edge of the crucible and provides representative and accurate measurement results by this layer in order to prevent a complete melting of the seed layer near the crucible wall. This danger is due to the fact that the system tends to form heat flows in the direction of the center by means of germ cooling, so that the temperature in the seed layer center is colder than at the edge of the seed layer. Important parameters for counteracting this are the cooling capacity and the geometry of the cooling arrangement. The cooling capacity must be equal to the heater temperatures be adapted that sets in particular during Ankeimprozess a flat phase boundary. The geometry, or rather the cooled surface, must be approximately equal to the area of the crucible. The position of the temperature measuring point must be selected so that it detects the edge area under the germ, but is not distorted by the cooling.

Wenn das Anschmelzen der Keimschicht abgeschlossen ist, wird durch Erhöhung der Wärmeabfuhr durch die Tiegelaufstellplatte hindurch das weitere Schmelzen des Keimes gestoppt und die gerichtete Erstarrung eingeleitet.When the melting of the seed layer is completed, by further increasing the heat dissipation through the crucible mounting plate, further melting of the seed is stopped and directional solidification is initiated.

Wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, erfolgt das Anschmelzen der Keimschicht, ohne die Lage der Phasengrenze mechanisch anzutasten. Es wird stattdessen so vorgegangen, dass in einer definierten Entfernung vom Symmetriezentrum des Tiegelbodens, konkret an der Peripherie der Tiegelaufstellplatte aus gut wärmeleitendem Graphit, mittels Pyrometer oder Thermoelement an dieser Stelle die Temperatur der Unterseite der Tiegelaufstellplatte gemessen wird. Es werden die Heizer und die Kühlung derart gesteuert, dass sich an dieser Messstelle im zeitlichen Verlauf ein Temperaturminimum ausbildet, welches in jedem Prozess absolut bestimmt und gespeichert wird. Ist die an dieser Stelle gemessene Temperatur nach dem Durchlaufen des Minimums um eine Temperaturdifferenz von 5 K bis 25 K über das Minimum wieder angestiegen, wird der Kristallisationsprozess, also die gerichtete Erstarrung, durch erhöhte Wärmeabfuhr durch die Tiegelaufstellplatte eingeleitet. Dabei ist es von Vorteil, in der Kristallisationsphase die Phasengrenze fest-flüssig konvex zu gestalten, um die Ausbreitung von Kristallkörnern anderer Orientierung, die durch Fremdkeimbildung an der Tiegelwand verfahrensbedingt immer auftreten, in Richtung Ingotmitte einzudämmen. Gleichzeitig darf die konvexe Durchbiegung der Phasengrenze nicht zu groß sein, um die, durch thermischen Stress verursachte Versetzungsbildung nicht anzuregen. Die Kristallisation eines Ingots erfolgt erfindungsgemäß:

  • – mit der gerichteten Erstarrung von unten nach oben
  • – mit Keimstößen die überlappen und nicht senkrecht zur Phasengrenze stehen, um die Zwillingshäufigkeit zu senken
  • – mit einem thermischen Regime, welches jegliche Sprünge in der Temperatur-, Druck- und Positionsregelung vermeidet, um die Zwillingshäufigkeit zu senken
  • – mit einer konvexen Phasengrenze, welche das Einwachsen von Fremdkeimen, gebildet an der Tiegelwand, in die Ingotmitte verhindert
  • – mit einer konvexen Phasengrenze deren Durchbiegung gering genug ist, die durch diese Durchbiegung induzierte thermische Spannung im Kristall geringer als die kritische Schubspannung von 1,6 MPa zu halten, um keine Versetzungsvervielfachung zu erzeugen.
As shown in the exemplary embodiments, the melting of the seed layer takes place without mechanically touching the position of the phase boundary. Instead, the procedure is such that the temperature of the underside of the crucible mounting plate is measured at a defined distance from the center of symmetry of the crucible bottom, specifically at the periphery of the crucible mounting plate of good heat-conducting graphite, by means of a pyrometer or thermocouple. The heaters and the cooling are controlled in such a way that a temperature minimum develops at this measuring point over time, which is absolutely determined and stored in each process. If the temperature measured at this point has risen again after passing through the minimum by a temperature difference of 5 K to 25 K above the minimum, the crystallization process, ie the directed solidification, is initiated by increased heat dissipation through the crucible mounting plate. It is advantageous to make the phase boundary solid-liquid convex in the crystallization phase, in order to curb the propagation of crystal grains of other orientation, which always occur due to foreign nucleation on the crucible wall in the direction of ingot center. At the same time, the convex deflection of the phase boundary must not be too large in order not to excite the dislocation formation caused by thermal stress. The crystallization of an ingot takes place according to the invention:
  • - with the directed solidification from bottom to top
  • - with seed bumps that overlap and are not perpendicular to the phase boundary to reduce the twin frequency
  • - With a thermal regime, which avoids any jumps in the temperature, pressure and position control to reduce the twin frequency
  • - With a convex phase boundary, which prevents the ingrowth of foreign nuclei formed on the crucible wall, in the Ingotmitte
  • - With a convex phase boundary whose deflection is low enough to keep the induced by this deflection thermal stress in the crystal less than the critical shear stress of 1.6 MPa, so as not to produce dislocation multiplication.

Nachdem der fertig gezüchtete Ingot nach einem Standardprogramm auf eine Temperatur nahe Raumtemperatur abgekühlt wurde, wird er gemeinsam mit dem Tiegel aus der Kristallzüchtungsanlage entnommen und entformt. Schneidet man einen runden Ingot entlang der Symmetrieachse bzw. einen quaderförmigen Ingot entlang einer parallel zu einer Kante verlaufenden und durch das Symmetriezentrum des Ingots verlaufenden Linie virtuell auf, so erhält man eine fiktive Schnittfläche, an der veranschaulicht wird, wo sich die nichtaufgeschmolzene Keimschicht befindet und wo multi- und monokristalline Bereiche vorhanden sind, wie sie für die Herstellung von Funktionsbauteilen, wie z. B. Sputtertargets oder Showerheads, mit den in den 1 und 2 beispielhaft angegebenen Größen bzw. Abmessungen, geeignet sind. Die 1 und 2 zeigen, wie ein solcher Ingot z. B. horizontal aufgeschnitten werden kann, um Blanks für verschiedene Endprodukte zu gewinnen. Fotografien eines derartigen Horizontalschnittes zeigen die 3a und 3b, welche weiter unten konkret erläutert werden.After the finished cultured ingot has been cooled to a temperature close to room temperature according to a standard program, it is taken out of the crystal growing plant together with the crucible and demoulded. If one cuts a round ingot along the axis of symmetry or a cuboid ingot along a parallel to an edge extending and extending through the center of symmetry of the ingot line virtually, we obtain a fictional sectional surface, is illustrated at where the unmelted seed layer is located and where multi- and monocrystalline regions are present, as they are for the production of functional components, such. B. sputtering targets or showerheads, with in the 1 and 2 exemplified sizes or dimensions are suitable. The 1 and 2 show how such a ingot z. B. can be cut horizontally to win blanks for various end products. Photographs of such a horizontal section show the 3a and 3b , which will be explained in more detail below.

Einen solchen prinzipiellen Querschnitt eines Ingots der Generation 4 (630 mm × 630 mm Grundfläche und Höhe 430 mm) zeigt die 1 und einen Ingot der Generation 5 (780 mm × 780 mm Grundfläche und Höhe 430 mm) zeigt die 2. In beiden Figuren sind Bereiche gekennzeichnet, die beispielhaft für zwei häufig benötigte Abmessungen von Sputtertargets (⌀ 450 mm × 10 mm bzw. 320 mm × 100 mm × 8 mm) verwendet werden können. Grundsätzlich existieren eine Vielzahl anderer Produkte mit abweichenden Abmaßen; diese Möglichkeiten werden in den 1 und 2 beispielhaft als Blank bezeichnet.Such a basic cross-section of a generation 4 ingot (630 mm × 630 mm base and height 430 mm) is shown in FIG 1 and a generation 5 ingot (780 mm × 780 mm base and height 430 mm) shows the 2 , In both figures, areas are marked which can be used by way of example for two frequently required dimensions of sputtering targets (⌀ 450 mm × 10 mm or 320 mm × 100 mm × 8 mm). Basically, there are a variety of other products with different dimensions; these possibilities are in the 1 and 2 exemplified as a blank.

Die weitere Prozessierung eines Ingots erfolgt in der nachfolgend beispielhaft beschriebenen Vorgehensweise:
Als erstes wird

  • a) eine Bodenschicht abgesägt, was meist mit einer Bandsäge erfolgt. An den sägerauen Schnittflächen ist unter geeignetem Lichteinfall und verschiedenen Betrachtungsrichtungen visuell genau erkennbar, wo der monokristalline Zentrumsbereich endet und ein multikristalliner Randbereich beginnt. Nachdem der Abstand des vertikalen Schnittes von jedem Ingotrand, der z. B zwischen 2 und 10 cm betragen kann, konkret definiert ist, erfolgt
  • b) das Absägen der vier Seitenflächen bzw. einer Mantelschicht.
The further processing of an ingot takes place in the procedure described below by way of example:
First is
  • a) sawed off a bottom layer, which usually takes place with a band saw. At the sawn cut surfaces it is possible to see visually exactly under suitable incidence of light and different viewing directions, where the monocrystalline center region ends and a multicrystalline edge region begins. After the distance of the vertical section of each Ingotrand, z. B can be between 2 and 10 cm, is concretely defined takes place
  • b) the sawing of the four side surfaces or a cladding layer.

Alternativ hierzu können auch zuerst die vier Seitenflächen bzw. die Mantelschicht in vordefinierter Dicke abgesägt werden. Welche Dicke notwendig ist, ergibt sich aus der Erfahrung, d. h. aus vorherigen Prozessen, bzw. daraus, ob der Tiegelboden vollflächig oder unter Auslassen eines schmalen Randbereiches mit Keimen ausgelegt wurde. Die im Anschluss an diesen Schritt abzusägende Bodenschicht ist bei dieser Vorgehensweise etwas kleiner als beim Vorgehen gemäß a). Damit füllt im Falle der Wiederverwendung der Bodenschicht als Keim im Folgeprozess dieser den Tiegelboden nicht zu 100% aus.Alternatively, the four side surfaces or the cladding layer can also be sawed off in a predefined thickness first. What thickness is necessary, results from experience, d. H. from previous processes, or from whether the crucible bottom was laid over the entire surface or with the omission of a narrow edge area with germs. The soil layer to be sawn off after this step is slightly smaller in this procedure than in the procedure according to a). Thus, in the case of reuse of the soil layer as a germ in the subsequent process of this does not fill the crucible bottom to 100%.

Als nächster Schritt werden aus dem verbleibenden Ingotvolumen horizontale Scheiben herausgeschnitten, die eine Dicke aufweisen, die noch ein Aufmaß für die weiteren Bearbeitungsschritte zur Herstellung von z. B. Sputtertargets, Showerheads oder anderer Blanks besitzen. Typische finale Dicken für Sputtertargets sind 1 mm bis 50 mm, wobei 3 mm bis 6 mm oder 8 mm bis 10 mm die gebräuchlichsten Finaldickenbereiche sind.As a next step, horizontal slices are cut out of the remaining ingot volume, which have a thickness that is still an allowance for the further processing steps for the production of z. B. sputtering targets, showerheads or other blanks possess. Typical final thicknesses for sputtering targets are 1 mm to 50 mm, with 3 mm to 6 mm or 8 mm to 10 mm being the most common final thickness ranges.

Die Bestimmung des spezifischen Widerstandes erfolgt sinnvollerweise in zwei Schritten: Zuerst wird der Widerstand an der inneren Schnittfläche einer Seitenfläche entlang einer vertikalen Linie punktweise bestimmt. Damit wird geprüft, an welchen Höhenkoordinaten der Ingot die für einen oder auch mehrere Arten von Finalprodukten den geforderten spezifischen Widerstand erreicht. Nach dem Herausschneiden horizontaler Scheiben aus dem Ingot kann an Proben, die benachbart zum für das Finalprodukt ausgewählten Flächenbereich geschnitten wurden, der spezifische Widerstand zusätzlich in höherer Genauigkeit in Form eines Flächenscans über die Probe bestimmt werden. Es ist aber auch eine flächige rasternde Messung des spezifischen Widerstandes über den gesamten interessanten Flächenbereich der Scheibe möglich, um den Mittelwert und auch die Schwankungsbreite der Messwerte innerhalb der Scheibe anzugeben. Analog zum letzteren Fall ist dies auch direkt am auszuliefernden Blank möglich. In den meisten Fällen ist dieser Aufwand jedoch nicht erforderlich.The determination of the specific resistance is expediently carried out in two steps: First, the resistance at the inner cut surface of a side surface along a vertical line is determined pointwise. This is to check at which height coordinates the ingot reaches the required resistivity for one or more types of final products. After cutting out horizontal slices from the ingot, specimens cut adjacent to the area selected for the final product can additionally determine the resistivity in higher accuracy in the form of a surface scan across the specimen. However, it is also possible to perform a planar raster measurement of the specific resistance over the entire interesting surface area of the slice, in order to specify the mean value and also the fluctuation range of the measured values within the slice. Similar to the latter case, this is also possible directly on the blank to be delivered. In most cases, this effort is not required.

Die für die Messung in Frage kommenden Methoden bzw. Geräte unterscheiden sich im Wesentlichen nur darin, welcher Widerstandsbereich erwartet und ob eine flächig rasternde Aufnahme der Messwerte benötigt wird. So kann die Messung z. B. offline und punktweise oder rasternd im Bereich bis 30 Ωcm mit einem Wirbelstrom-Messverfahren erfolgen (z. B. mit dem Messgerät RT 100 der Fa. Semilab/Ungarn) oder punktweise oder rasternd mit einem 4-Spitzen-Messverfahren erfolgen (z. B. des Automatic Four-Point Probe, Model 280SI Series der Fa. Four Dimensions Inc./Hayward, CA, USA zur Vermessung zuvor definiert hergestellter geeigneter Probengeometrien oder das 4PP-System für Ingots der gleichen Firma).Essentially, the methods or devices that can be used for the measurement differ only in what range of resistance is expected and whether it is necessary to record the measured values over a wide area. So the measurement z. B. offline and punctiform or scanning in the range up to 30 Ωcm done with an eddy current measuring method (eg., With the RT 100 from Semilab / Hungary) or pointwise or raster with a 4-tip measuring method done (z. Example of the Automatic Four-Point Probe, Model 280SI Series from the company Four Dimensions Inc./Hayward, CA, USA for the measurement of previously defined suitable sample geometries or the 4PP system for ingots of the same company).

Die 3a zeigt eine Fotografie der Draufsicht auf eine aus dem Ingot geschnittene Scheibe in mittlerer Ingothöhe. Obwohl in diesem Fall die Seitenflächen bereits abgetrennt wurden, ist ein multikristalliner Bereich (B) zu sehen, der vom Rand her in Richtung des monokristallinen Zentrums (A) eingewachsen ist und in diesem Bild durch eine von Hand eingezeichnete Linie vom monokristallinen Gutbereich separiert ist. In das monokristalline Zentrum (A) sind drei runde Blanks unterschiedlichen Durchmessers exemplarisch eingezeichnet.The 3a shows a photograph of the top view of a cut from the ingot slice in middle ingot height. Although in this case the side surfaces have already been separated, a multicrystalline region (B) can be seen, which has grown in from the edge in the direction of the monocrystalline center (A) and is separated in this image by a hand-drawn line from the monocrystalline Gutbereich. In the monocrystalline center (A) three round blanks of different diameters are exemplarily drawn.

Die 3b zeigt dieselbe Scheibe, in die eine Kontur eingezeichnet ist, die einem aus einem ganzen Stück gefertigten Racetrack-Sputtertarget der maximalen äußeren Abmessungen ca. 700 mm × ca. 123 mm entspricht. Der lichte Abstand beider parallel zueinander beabstandeten Schenkel ist ca. 42 mm. Beachtenswert ist, dass im Falle einer Fertigung diese gesamte Kontur aus einem CZ-Ingot bisher aus zwei Hälften gefertigt werden musste. Eine Fertigung aus einem VGF-Mono-Silizium Material gestattet erstmals wahlweise die Fertigung aus einem Stück oder wie bisher aus zwei Hälften.The 3b shows the same disc, in which a contour is drawn, which corresponds to a manufactured from a single piece Racetrack sputtering target of the maximum external dimensions about 700 mm × 123 mm. The clear distance between the two mutually parallel legs is about 42 mm. It is noteworthy that in the case of a production, this entire contour from a CZ ingot previously had to be made from two halves. For the first time, production from a VGF mono-silicon material allows one-piece production or, as in the past, two halves.

Die in 3a und 3b eingezeichnete Probe ist repräsentativ für verschiedene Probengeometrien und Probenpositionen. Diese kann für die o. g. Widerstandsmessungen, Transmissionsmessungen, FTIR-Messungen oder zur Verunreinigungsbestimmung (AAS, GDMS, ICP-MS, ...) verwendet werden.In the 3a and 3b Plotted sample is representative of various sample geometries and sample positions. This can be used for the above resistance measurements, transmission measurements, FTIR measurements or for contamination determination (AAS, GDMS, ICP-MS, ...).

Innerhalb des nach visueller Betrachtung her monokristallinen Gutbereiches wird nun versucht, ein möglichst großes Volumen für Enderzeugnisse nutzbar zu machen. Dazu muss der monokristalline Gutbereich tiefergehend untersucht werden, ob nicht die Lage und vor allem lokale starke Konzentrationen von Clustern von Versetzungen und Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen bestimmte Bereiche für die vorgesehene Nutzung unbrauchbar machen. Im Ergebnis dieser weiter unten beschriebenen Untersuchungen muss die Größe und die Position der aus einer Scheibe gewinnbaren Blanks endgültig festgelegt werden.Within the scope of the monocrystalline good range, which is considered from a visual point of view, an attempt is now being made to utilize the largest possible volume for end products. For this purpose, the monocrystalline Gutbereich must be examined in more detail, if not the location and especially local strong concentrations of clusters dispose of dislocations and small angle grain boundaries, foreign or twin boundaries, certain areas for the intended use. As a result of these tests described below, the size and position of the blanks obtainable from a disk must be finally determined.

Derartige Scheiben – insbesondere ihr monokristalliner Bereich – werden nun hinsichtlich des Gehalts, der Verteilung und Qualitätsrelevanz einer ersten Gruppe von Kristalldefekten, bekannt als „Versetzungscluster”, „Versetzungsagglomerationen”, „Anhäufungen von Kleinwinkelkorngrenzen” oder dergleichen beurteilt. Diese Gruppe wurde im vorangegangenen Text und wird im folgenden Text als „Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen” bzw. einfach nur als Versetzungscluster oder Cluster bezeichnet. Die Beurteilung dieser Gruppe an Kristalldefekten basiert auf nachfolgend dargestellten Zusammenhängen und ist wie folgt zu beschreiben:
VGF-Mono-Silizium-Material, welches im Ergebnis der gerichteten Erstarrung entsteht, enthält eine mittlere Konzentration von isolierten Versetzungen zwischen größer 1 × 102 cm–2 und kleiner als 1 × 106 cm–2, typischerweise zwischen 103 cm–2 und 105 cm–2. Hierin unterscheidet sich VGF-Mono-Silizium vom idealen monokristallinen Silizium, hergestellt z. B. mit dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren. Mit letztgenanntem Verfahren hergestelltes Silizium liegt im Versetzungsgehalt üblicherweise unter 102 cm–2 und ist typischerweise sogar ganz oder nahezu frei von Versetzungen. Allerdings kann auch monokristallines Silizium aus dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren sehr hohe Konzentrationen an Versetzungen infolge Versetzungsmultiplikation aufweisen, falls es beim Kristallisationsprozess zu Störungen kommt. Solches Material ist aber untypisch. Es entspricht nicht den Spezifikationsanforderungen der Einsatzgebiete nach diesem Verfahren hergestellten Materials, wird typischerweise recycelt und ist vor allem wegen der damit dann verbundenen sehr hohen mechanischen Spannungen auch schwer zu bearbeiten (Czochralski und Floating Zone Kristalle mit lokal hohen Versetzungsdichten reißen leicht).
Such slices - especially their monocrystalline region - are now assessed for content, distribution and quality relevance of a first group of crystal defects known as "dislocation clusters", "dislocation agglomerations", "small angle grain clusters" clusters or the like. This group has been referred to in the preceding text and is referred to in the following text as "clusters of dislocations or small angle grain boundaries" or simply as dislocation clusters or clusters. The assessment of this group of crystal defects is based on the following relationships and should be described as follows:
VGF mono-silicon material resulting from directional solidification contains an average concentration of isolated dislocations greater than 1 x 10 2 cm -2 and less than 1 x 10 6 cm -2 , typically between 10 3 cm -2 and 10 5 cm -2 . Here, VGF mono-silicon differs from the ideal monocrystalline silicon made e.g. B. with the Czochralski or the floating zone method. Silicon produced by the latter method is usually below 10 2 cm -2 in displacement content and is typically even wholly or almost free from dislocations. However, monocrystalline silicon from the Czochralski or the floating zone process can also have very high concentrations of dislocations due to dislocation multiplication if disruptions occur in the crystallization process. Such material is untypical. It does not meet the specification requirements of the applications of material produced by this process, is typically recycled, and is also difficult to process because of the high mechanical stresses involved (Czochralski and floating zone crystals with locally high dislocation densities are easily broken).

Solange die Versetzungen isoliert verlaufen, d. h. solange sie nicht teilweise zu Versetzungslinien, Kleinwinkelkorngrenzen und Anhäufungen davon angeordnet sind, ist die lokale Orientierung des Kristallgitters durch das Vorhandensein der Versetzungen makroskopisch nicht maßgeblich beeinflusst. Das optische Erscheinungsbild einer mechanisch bearbeiteten, geschliffenen oder polierten Werkstückoberfläche von monokristallinen und quasimonokristallinen Silizium-Werkstücken unterschiedlichster Versetzungskonzentration unterscheidet sich nicht. Transmissions- und Reflexionsverhalten sind identisch.As long as the dislocations are isolated, d. H. unless they are partially aligned to dislocation lines, small angle grain boundaries, and clusters thereof, the local orientation of the crystal lattice is not macroscopically affected by the presence of the dislocations. The optical appearance of a machined, ground or polished workpiece surface of monocrystalline and quasi-monocrystalline silicon workpieces of different dislocation concentration does not differ. Transmission and reflection behavior are identical.

Anders ist dies, wenn sich Versetzungen während der Kristallisation oder auch während der Abkühlung zu Versetzungslinien und Anhäufungen von Versetzungslinien, den schon genannten Versetzungsclustern, arrangieren. Die linienhaft angeordneten Versetzungen können sich auch zu Kleinwinkelkorngrenzen ausweiten. Letztere umschließen dann Kristallbereiche, welche gegenüber der restlichen Matrix des Werkstücks eine signifikante Verkippung von einigen Bogenminuten bis, im Extremfall, einigen Grad aufweisen können, sogenannte Subkörner. Typischerweise liegen in Versetzungsclustern dieser Art viele derart verkippte kleine und kleinste Subkörner benachbart vor, wobei die Abstände und Dimensionen vom μm- bis zum cm-Bereich reichen können.This is different if dislocations during the crystallization or even during the cooling to arrange dislocation lines and accumulations of dislocation lines, the aforementioned dislocation clusters. The linear dislocations may also extend to small angle grain boundaries. The latter then enclose crystal regions which, compared to the rest of the matrix of the workpiece, can have a significant tilt of a few arc minutes to, in the extreme case, a few degrees, so-called subgrains. Typically, such dislocated small and minute subgrains are adjacent in dislocation clusters of this type, with distances and dimensions ranging from μm to cm.

Bereiche größerer Verkippung (Subkörner mit einem Verkippungswinkel von größer als ca. 20°) sind im optischen Erscheinungsbild Fremdkörnern vergleichbar und können visuell mit unbewaffnetem Auge und unter guter Beleuchtung an der mechanisch geeignet bearbeiteten Oberfläche erkannt werden, falls sie ausreichend groß sind. Sie stellen eine zweite Gruppe von Kristallfehlern in VGF-Mono-Silizium dar. Auch die dritte Gruppe von Kristallfehlern in VGF-Mono-Silizium, die Zwillingsgrenzen, sind wie die zweite Gruppe visuell erkennbar.Areas of greater tilt (sub-grains with a tilt angle of greater than about 20 °) are comparable in appearance to foreign grains and can be visually recognized with unaided eye and under good lighting on the mechanically machined surface, if they are sufficiently large. They represent a second group of crystal defects in VGF mono-silicon. Also the third group of crystal defects in VGF mono-silicon, the twin boundaries, are visually recognizable like the second group.

Wichtig bei der visuellen Detektion ist, dass der Einstrahlwinkel der Beleuchtung zur zu beurteilende Fläche den Winkelbereich von 10° bis 75° überstreicht und sich die Lichtquelle azimutal in 10°-Schritten die zu beurteilende Fläche über 360° umläuft. Die Betrachtungsrichtung der zu beurteilenden Fläche durch den Beurteiler muss von gegenüber der Einstrahrichtung sein und denselben Einstrahlwinkelbereich von 10° bis 75° überstreichen. Zusätzlich zur Betrachtungsrichtung von genau gegenüber der Einstrahlrichtung der Lichtquelle muss ein azimutalen Betrachtungswinkelbereich von –90° bis +90° zur Betrachtungsrichtung überstrichen werden. Geschliffene Oberflächen eignen sich dafür, besser sind sandgestrahlte Oberflächen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine grob geschliffene, durch Drahttrennläppen oder an einer Bandsäge typischerweise erreichte Oberflächenqualität zur Beurteilung auch ausreicht.It is important in visual detection that the angle of incidence of the illumination to the surface to be assessed covers the angle range from 10 ° to 75 ° and the light source rotates azimuthally in 10 ° increments over 360 °. The viewing direction of the area to be assessed by the appraiser must be from the direction of incidence and the same incidence angle range from 10 ° to 75 °. In addition to the viewing direction of exactly opposite the direction of incidence of the light source, an azimuthal viewing angle range of -90 ° to + 90 ° to the viewing direction must be covered. Sanded surfaces are suitable for this, better are sandblasted surfaces. However, it has been found that a roughly ground surface quality typically achieved by wire-cutting lapping or on a band saw is also sufficient for the evaluation.

Bereiche größerer Verkippung können aber auch sehr klein sein und sich damit der visuellen Erkennbarkeit entziehen. Diese sehr kleinen Defekte sind in den entsprechenden nachfolgend definierten Materialklassen nicht umfasst.However, areas of greater tilting can also be very small and thus avoid visual recognition. These very small defects are not included in the corresponding material classes defined below.

Diese kleinen nicht detektierbaren und die größeren detektierbaren Fremdkörner, Zwillingsgrenzen bzw. Bereiche größerer Verkippung befinden sich immer in einer monokristallinen Matrix. These small undetectable and the larger detectable foreign grains, twin boundaries or areas of greater tilt are always in a monocrystalline matrix.

Monokristalline Matrix ist definiert als ein monokristalliner Bereich, der ein Fremdkorn allumfänglich einbettet.Monocrystalline matrix is defined as a monocrystalline region that embeds a foreign metal all around.

Im Ergebnis der visuellen Evaluierung erfolgt die Materialklassifizierung hinsichtlich Fremdkörnern in 5 Klassen:

Klasse FK1:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material keine Fremdkörner aufweist. Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder der Blankoberfläche, die an Finalbauteilen geringer Dicke in Richtung der Belastung bzw. des chemischen Angriffs zeigt (funktionale Fläche). Geringe Dicke bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das als Platte vorliegende Blank bzw. die aus dem Ingot herausgeschnittene Scheibe eine Dicke von mindestens 5 mal geringer als seine größte Flächendimension hat.
Klasse FK2:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 1 Fremdkorn je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist. Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder der Blankoberfläche, die am Finalbauteil in Richtung der Belastung bzw. des chemischen Angriffs zeigt (funktionale Fläche). Die am Finalbauteil vorliegende Richtung der Belastung bzw. des chemischen Angriffs bedeutet die Seite des Bauteils, die der Belastung ausgesetzt ist wie z. B. die Fläche, die sich in der Nähe eines Plasmas befindet oder die reaktiven Gasen ausgesetzt ist. Die Größe „Anzahl Fremdkorn je dm2” bedeutet die Flächendichte von Fremdkörnern auf der bewerteten Oberfläche.
Klasse FK3:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 2 Fremdkörner je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist, Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Blankoberfläche. Die einer Bewertung zugängliche Blankoberfläche ist die Außenfläche eines Blanks, durch die geeignete Messverfahren Aufschluss geben über eine für das Volumen repräsentative Oberflächenqualität bzw. die nach der Finalbearbeitung erreichbare Oberflächenqualität.
Klasse FK4:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 5 Fremdkörner je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist. Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Blankoberfläche.
Klasse FK5:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material Fremdkörner ohne zahlenmäßige Begrenzung jedoch mit einer Größe von je kleiner als 50 mm2 aufweist. Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Blankoberfläche.
As a result of the visual evaluation, the material classification for foreign grains takes place in 5 classes:
Class FK1:
Single-dislocation silicon material in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume having no foreign grains on a cut surface through the material. Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or the blank surface, which points to final components of small thickness in the direction of stress or chemical attack (functional surface). In this context, a small thickness means that the blank or the slice cut out of the ingot has a thickness of at least 5 times less than its largest surface dimension.
Class FK2:
Silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Versatzungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a cut surface through the material a maximum of 1 foreign particles per dm 2 in one Size smaller than 50 mm 2 has. Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or the blank surface, which points to the final component in the direction of stress or chemical attack (functional surface). The direction of loading or chemical attack present at the final component means the side of the component which is exposed to the load, such as a For example, the area that is near a plasma or exposed to reactive gases. The quantity "number of foreign particles per dm 2 " means the area density of foreign grains on the assessed surface.
Class FK3:
Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Versatzungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a sectional surface through the material a maximum of 2 foreign grains per dm 2 in one Size smaller than 50 mm 2 , Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation. The blank surface accessible for evaluation is the outer surface of a blank, through which suitable measuring methods give information about a surface quality representative of the volume or the surface quality that can be achieved after final processing.
Class FK4:
Silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Versatzungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a sectional surface through the material a maximum of 5 foreign grains per dm 2 in one Size smaller than 50 mm 2 has. Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.
Class FK5:
Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Verklungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a cut surface by the material foreign grains without numerical limitation, but with a size of less than 50 mm 2 each. Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.

Die für die Bestimmung von Fremdkörnern an der jeweiligen Prüffläche vorbeschriebene Methode eignet sich auch zur Bestimmung von Zwillingsgrenzen. Eine Zwillingsgrenze ist definiert als kohärente Korngrenze, vorzugsweise als Σ3-Korngrenze.The method described above for the determination of foreign grains on the respective test surface is also suitable for the determination of twin limits. A twin boundary is defined as a coherent grain boundary, preferably as a Σ3 grain boundary.

Im Ergebnis der visuellen Evaluierung erfolgt die Materialklassifizierung hinsichtlich Zwillingsgrenzen in 5 Klassen:
Die genannten Bestimmungskriterien für Fremdkörner in jeder Klasse 1–5 gelten analog für Zwillingsgrenzen der Klassen 1–5.

Klasse Z1:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material keine Zwillingsgrenzen aufweist
Klasse Z2:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 4 Stück Zwillingsgrenzen einer Gesamtlänge von maximal. 0,5 m pro dm2 aufweist.
Klasse Z3:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 10 Stück Zwillingsgrenzen mit einer Gesamtänge von 1,4 m pro dm2 aufweist.
Klasse Z4:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 100 Stück Zwillingsgrenzen mit einer Gesamtlänge von 14 m pro dm2 aufweist.
Klasse Z5:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material mehr als 100 Stück Zwillingsgrenzen pro dm2 aufweist.
As a result of the visual evaluation, the material classification with respect to twin boundaries takes place in 5 classes:
The above-mentioned determination criteria for foreign grains in each class 1-5 apply analogously to twin limits of classes 1-5.
Class Z1:
Single dislocation silicon material in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume having no twin boundaries on a cut surface through the material
Class Z2:
Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Versatzungscluster- or small angle grain boundary volume, the maximum on a cut surface by the material maximum 4 twin boundaries of a total length of maximum , 0.5 m per dm 2 .
Class Z3:
Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Verklungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a cut surface through the material a maximum of 10 pieces of twin boundaries with a total length of 1.4 m per dm 2 .
Class Z4:
Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, Verklungscluster- or kleinwinkelkorngrenzenfreien volume on a cut surface through the material a maximum of 100 pieces of twin boundaries with a total length of 14 m per dm 2 .
Class Z5:
Single dislocation silicon material in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume that has more than 100 twins boundaries per dm 2 on a cut surface through the material having.

Visuell überhaupt nicht auffallend sind alle Versetzungscluster mit Subkörnern oder Bereichen von nur geringer Verkippung, unabhängig von deren Größe. Sie stellen jedoch strukturelle Inhomogenitäten dar, welche in reflektiven oder transmittiven optischen Bauelementen bei zu hoher Konzentration deren Funktion beeinträchtigen. Auch in anderen aus VGF-Mono-Silzium-Material fertigbaren Produkten, wie Sputtertargets, Showerheads, Fokusringen und anderen in der Halbleiterindustrie benötigten Bauteilen, können diese Cluster unerwünscht sein und sind in Bezug auf ihren Flächenanteil an der Gesamtfläche des Bauteils zu beurteilen. Es ist daher erforderlich, schon am nur teilbearbeiteten Werkstück bzw. Rohling den Gehalt solcher Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen zu erfassen, um auf Basis dieser Erfassung eine geeignete Zuteilung durchführen zu können.Visually not at all conspicuous are all dislocation clusters with sub-grains or areas of only slight tilt, regardless of their size. However, they represent structural inhomogeneities, which affect their function in reflective or transmissive optical components at too high a concentration. Also in other VGF mono-silcium material manufacturable products, such as sputtering targets, showerheads, focus rings, and other components needed in the semiconductor industry, these clusters may be undesirable and are to be judged in terms of their area fraction of the overall surface of the device. It is therefore necessary to detect the content of such clusters of dislocations or small-angle grain boundaries already on the partially machined workpiece or blank in order to be able to carry out a suitable allocation on the basis of this detection.

Da eine direkte, visuelle Erfassung der Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen innerhalb des VGF-monokristallinen Kristallvolumens wie beschrieben nicht sicher möglich ist, muss die Erfassung indirekt erfolgen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine flächige Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer (oder einer damit korrelierenden physikalischen Größe) bei Silizium und anderen Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid bzw. anderen sogenannten Verbindungshalbleitern ein sehr einfaches, schnelles und zerstörungsfreies Verfahren ist, um daraus eine prognostizierte Standzeit oder den Verschleiß (Materialabtrag durch Ätzgaseinwirkung oder Generierung störender Partikel) der Funktionsbauteile unter Betriebsbedingungen grob zu bewerten.Since direct, visual detection of the clusters of dislocations or small-angle grain boundaries within the VGF monocrystalline crystal volume is not certainly possible as described, the detection must be done indirectly. Surprisingly, it has been found that a planar determination of the charge carrier lifetime (or a physical quantity correlating therewith) with silicon and other semiconductor materials such as germanium, gallium arsenide or other so-called compound semiconductors is a very simple, fast and non-destructive method, from which a predicted lifetime or the wear (Material removal by Ätzgaseinwirkung or generation of interfering particles) of the functional components under operating conditions rough estimate.

Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustern (bei bestimmten elektrischen Anwendungen kritisch) unterscheiden. Die Messtechnik, eigentlich zur Bewertung der elektrischen Qualität von Solarsilizium bzw. zur Bestimmung des erreichbaren Wirkungsgrades von Solarzellen entwickelt, kann mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Bewertung der strukturellen Qualität von mono oder quasimonokristallinem Silizium genutzt werden. Somit stehen einfache, kostengünstige und rasch auszuführende Verfahren zur Bewertung zur Verfügung.Areas with only isolated dislocations can thus be distinguished from those with dislocation clusters (critical in certain electrical applications). The measurement technique, actually developed for assessing the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for assessing the structural quality of mono or quasi-monocrystalline silicon. Thus, simple, inexpensive and quick to perform evaluation procedures are available.

Hierbei wird die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks mit beispielsweise folgenden Verfahren untersucht: μ-PCD (microwave-detected Photo-Conductance Decay measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photolumineszenz), oder ähnlichen rasternden oder bildgebenden Messtechniken. Für alle diese Messverfahren gibt es bereits Hersteller kommerzieller Messgeräte wie z. B. die Fa. Semilab/Ungarn, die Fa. Freiberg Instruments/Deutschland oder die Fa. Hennecke/Deutschland.In this case, the surface of the workpiece to be examined is investigated using, for example, the following methods: μ-PCD (Microwave-Detected Photo-Conductance Decay Measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging measurement techniques. For all these measuring methods, there are already manufacturers of commercial measuring instruments such. Semilab / Hungary, Freiberg Instruments / Germany or Hennecke / Germany.

Alle diese Messtechniken ermitteln einen Wert, welcher der Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Oberfläche proportional ist. Hierbei ist die räumliche Auflösung der jeweiligen Messtechniken unterschiedlich; sie kann von einigen μm bis einigen mm reichen. In der Nähe eng benachbarter Versetzungslinien – d. h. im Bereich von Versetzungsclustern – sinkt die Ladungsträgerlebensdauer stark ab, da die Versetzungslinien oder die Kleinwinkelkorngrenzen Orte sehr hoher Ladungsträgerrekombination darstellen und die Abstände der Versetzungslinien die Diffusionslänge der Ladungsträger unterschreitet. Einzige Bedingung an das Material ist, dass keine anderen Rekombinationsmechanismen die Rekombination an den Versetzungslinien dominant überlagern dürfen. Das heißt, eine massive Kontamination z. B. mit im Volumen gleichmäßig verteilten metallischen Verunreinigungen verhindert diese Art der Erfassung von Versetzungsclustern. Insbesondere Übergangsmetalle wie Fe, Cr, Co, Ni, Ti und dergleichen sollten eine Konzentration von 0,1 ppm nicht überschreiten.All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface. Here, the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; it can range from a few μm to a few mm. In the vicinity of closely spaced dislocation lines - ie in the range of dislocation clusters - the carrier lifetime decreases greatly, since the dislocation lines or the small-angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines are less than the diffusion length of the charge carriers. The only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. That is, a massive contamination z. B. with evenly distributed in volume metallic impurities prevents this type of detection of dislocation clusters. In particular, transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.

Weiter kommt einer effizienten Anwendung des Verfahrens zugute, dass einmal vorliegende Versetzungscluster im VGF-Mono-Silizium-Material sich im Verlauf der gerichteten Erstarrung immer weiter fortpflanzen und ausbreiten, nie aber verschwinden oder sich auflösen. Es genügt also für eine einfache Klassifikation, die Seite des Werkstücks zu untersuchen, welche zuletzt erstarrt ist. Dies entspricht die Vermessung der auf Bild 3 gezeigten Gesamtfläche bzw. im Minimum des in diesem Bild markierten monokristallinen Bereiches A.Furthermore, efficient use of the method benefits that dislocation clusters once present in the VGF monosilicon material continue to propagate and spread in the course of directional solidification, but never disappear or dissolve. So it is sufficient for a simple classification to examine the side of the workpiece, which is finally solidified. This corresponds to the measurement of the total area shown in FIG. 3 or the minimum of the monocrystalline area A marked in this image.

Die Bewertung bzw. Klassifikation der einer Untersuchung zugänglichen Seite eines quaderförmigen, runden, ringförmigen oder anders geformten Blanks erfolgt nach dem Flächenanteil von gefundenen Versetzungsclustern. Die Ermittlung dieses Flächenanteils erfolgt mittels Bildauswertung der flächigen Aufnahmen (Rastermessungen oder Kameraaufnahmen, je nach Messtechnik) einzelner Seiten des Werkstücks (unter Umständen nur der zuletzt erstarrten Seite). Die Messwerte für die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Versetzungscluster liegen dabei deutlich unter dem Mittel der Messwerte außerhalb der Versetzungscluster. Absolutwerte und Auflösung hängen zwar von der gewählten Messtechnik, der Art der mechanischen Oberflächenbearbeitung, der elektrischen Leitfähigkeit des Materials und dem Gehalt an metallischen Verunreinigungen ab, grundsätzlich heben sich aber die Bereiche von Versetzungsclustern immer durch deutlich geringere Messwerte von den unbelasteten Bereichen ab. Es können dann z. B. über die Definition eines Schwellenwerts für die Ladungsträgerlebensdauer oder einer mit dieser Ladungsträgerlebensdauer korrelierten Messgröße Flächenanteile von Bereichen mit Versetzungsclustern von solchen Bereichen ohne Versetzungsclustern getrennt bzw. flächenanteilsmäßig quantifiziert werden.The evaluation or classification of the examination-accessible side of a cuboidal, round, annular or other shaped blank takes place according to the area fraction of dislocation clusters found. The determination of this area proportion takes place by means of image evaluation of the areal images (raster measurements or camera shots, depending on the measuring technique) of individual sides of the workpiece (possibly only the last solidified side). The measured values for the carrier lifetime in the region of the dislocation clusters are clearly below the mean of the measured values outside the dislocation clusters. Although the absolute values and the resolution depend on the chosen measuring technique, the type of mechanical surface treatment, the electrical conductivity of the material and the content of metallic impurities, the areas of dislocation clusters are always distinguished from the unloaded areas by significantly lower measured values. It can then z. B. by the definition of a threshold value for the carrier lifetime or a correlated with this carrier lifetime measure surface portions of areas with dislocation clusters of such areas without dislocation clusters separately or area-wise quantified.

Soll niederohmiges Material bewertet werden, ist das PL-Verfahren bevorzugt. Nachfolgende Beschreibung des prinzipiellen Vorgehens basiert jedoch auf der μPCD-Methode.If low-resistance material is to be evaluated, the PL method is preferred. However, the following description of the basic procedure is based on the μPCD method.

Die 4a und 4c zeigen jeweils PL-Aufnahmen und die 4b und 4d zeigen jeweils das μ-PCD-Mapping einer jeweils sägerauen Waferoberfläche von monokristallinversetzungsfreiem CZ-Material (4a und 4b) und VGF-Mono-versetzungsbehaftetem Silizium (4c und 4d). In beiden Fällen liegen keine Versetzungscluster vor (Defektflächenanteil 0%). Die Materialien zeigen sich sehr ähnlich.The 4a and 4c show each PL recordings and the 4b and 4d in each case show the μ-PCD mapping of a respective rough-cut wafer surface of monocrystalline dislocation-free CZ material ( 4a and 4b ) and VGF mono-dislocation silicon ( 4c and 4d ). In both cases, there are no dislocation clusters (defect area fraction 0%). The materials are very similar.

Der Farbverlauf bei den μPCD-Aufnahmen liegt an Dickenschwankungen des drahttrenngeläppten Wafers und hat nichts mit Qualitätsunterschieden zu tun. Diese Bilder sollen lediglich demonstrieren, dass der Defekttyp Einzelversetzung sich mit den benannten Messverfahren nicht bestimmen lässt und dies für die Qualitätsbewertung entsprechend vorliegender Erfindung auch nicht erforderlich ist.The color gradient in the μPCD images is due to thickness variations of the wire-trimmed wafer and has nothing to do with quality differences. These pictures are merely intended to demonstrate that the defect type individual dislocation can not be determined with the named measuring methods and this is also not necessary for the quality assessment according to the present invention.

Die 5a zeigt eine PL-Aufnahme und die 5b zeigt ein μ-PCD-Mapping einer sägerauen Oberfläche von VGF-Mono-Silizium-Materials in der geometrischen Form eines Wafers. Die Probe enthält Versetzungscluster, welche mittels Bildauswertung bzgl. des Flächenanteils auswertbar ist. Der mit Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Flächenanteil ist in diesem Fall niedrig.The 5a shows a PL recording and the 5b Figure 3 shows μ-PCD mapping of a rough-sawn surface of VGF monosil silicon material in the geometric shape of a wafer. The sample contains dislocation clusters, which can be evaluated by means of image evaluation with respect to the area fraction. The area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is low in this case.

Die 6a zeigt eine PL-Aufnahme und die 6b zeigt ein μ-PCD-Mapping eines VGF-Mono-Silizium-Materials in der geometrischen Form eines Wafers. Der mit Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Flächenanteil ist in diesem Fall hoch.The 6a shows a PL recording and the 6b shows a μ-PCD mapping of a VGF monosilicon material in the geometric shape of a wafer. The area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is high in this case.

Die 7 zeigt ein Flächenelement (Prüfoberfläche) eines größeren Blanks als PL-Flächenbild der Größe 156 mm × 156 mm. Das größere Blank kann final zu einem Sputtertarget weiterverarbeitet werden und wurde aus dem VGF-monokristallinem Bereich A eines Ingots gefertigt.The 7 shows a surface element (inspection surface) of a larger blanks as a PL area image of size 156 mm × 156 mm. The larger blank can be further processed into a sputtering target and made from the VGF monocrystalline region A of an ingot.

Die gesamte zu bewertende Fläche des monokristallinen Bereiches A oder des Blanks wird entweder als Vollbild aufgenommen und ausgewertet oder aus mehreren Einzelbildern (z. B. Flächenelementen wie in 7 gezeigt) zusammengesetzt und ausgewertet. Soll eine Aussage über eine konkrete Blankgeometrie getroffen werden im Sinne einer Qualitätseinstufung in die weiter unten genannten fünf Klassen C1 bis C5, wird in die bewertete Fläche bzw. in das zusammengesetzte Bild eine Kontur (neue Prüfoberfläche) hineingelegt, innerhalb derer der Flächenanteil an der Gesamtfläche bestimmt wird, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.The entire surface of the monocrystalline region A or of the blank to be evaluated is recorded either as a full image and evaluated or from a plurality of individual images (for example surface elements as in FIG 7 shown) and evaluated. If a statement is to be made about a specific blank geometry in the sense of a quality classification in the five classes C1 to C5 mentioned below, a contour (new test surface) is included in the evaluated area or in the composite image, within which the area proportion of the total area determined by dislocation clusters and small-angle grain boundaries.

In der DE 102011056404 , deren Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei, ist auf der Basis des Messverfahrens MDP das Vorgehen der Bestimmung des Flächenanteiles von Bereichen mit Versetzungsclustern an einer Gesamtfläche beschrieben. Dieses Vorgehen ist bei Verwendung der Methode μ-PCD bzw. PL ist in gleicher Weise geeignet. In the DE 102011056404 , whose content is hereby expressly included in the reference, the method of determining the area fraction of areas with dislocation clusters on a total area is described on the basis of the measuring method MDP. This procedure is suitable when using the method μ-PCD or PL is in the same way.

Konkret wird für ein Pixel der Prüfoberfläche mittels vorgenannten rasternden oder bildgebenden Messtechniken (bei niederohmigen Material bevorzugt PL) stets die Ladungsträgerlebensdauer oder ein mit der Ladungsträgerlebensdauer des Materials korrelierter Wert bestimmt. Dies erfolgt auch für alle benachbarten Pixel in einer Teilfläche der zu bewertenden Gesamtfläche. Diese Teilfläche kann quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Aus den in dieser Fläche mit einem Zentrumspixel enthaltenen vollständig eingeschlossenen Pixeln (angeschnittene Randpixel sind unzulässig) wird ein Mittelwertbild erzeugt. Dies kann z. B. aus einer Fläche von 11 × 11 Pixeln, d. h. 121 Pixeln, oder einer beliebig definierten Pixelanzahl wie z. B. größer 50 Pixeln oder größer 100 Pixeln gewonnen werden. Da in einem Versetzungscluster oder Kleinwinkelkorngrenzen enthaltenden Pixel die Ladungsträgerlebensdauer deutlich geringer ist als in versetzungsclusterfreien oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Gutbereichen, wird eine Differenz zwischen Mittelwert aus der definierten Anzahl an Nachbarpixeln und dem Zentrumspixelmesswert gebildet. Überschreitet diese Differenz einen zuvor definierten Betrag, wird das Zentrumspixel als Schlechtpixel bewertet. Dieser Schwellenwert ist je nach Messverfahren, Bereich des spezifischen Widerstandes des Prüflings und der Dotierung (p- oder n-leitend) konkret festzulegen. Für mittelohmiges Material und das Messverfahren MDP ist z. B. ein Schwellenwert von 0,22 μs ein geeigneter Wert.Specifically, the charge carrier lifetime or a value correlated with the charge carrier lifetime of the material is always determined for a pixel of the test surface by means of the aforementioned rastering or imaging measurement techniques (preferably PL in the case of low-resistance material). This is also done for all adjacent pixels in a subarea of the total area to be evaluated. This subarea may be square, rectangular, circular or elliptical. From the pixels completely enclosed in this area with a center pixel (border pixels are not allowed), an averaged image is generated. This can be z. From an area of 11x11 pixels, i. H. 121 pixels, or any defined number of pixels such. B. greater than 50 pixels or greater than 100 pixels are obtained. Since the charge carrier lifetime is significantly lower in a dislocation cluster or pixels containing small-angle grain boundaries than in dislocation cluster-free or small-angle grain boundary-free good domains, a difference between the average value is formed from the defined number of neighboring pixels and the center pixel measurement value. If this difference exceeds a previously defined amount, the center pixel is evaluated as a bad pixel. This threshold value has to be specified according to the measuring method, the range of the specimen resistivity and the doping (p- or n-type). For medium-resistance material and the measurement method MDP z. For example, a threshold of 0.22 μs is a suitable value.

Entsprechend dem in [0059] bis [0062] der in Bezug genommenen DE 102011056404 beschriebenen Vorgehen wird der Clustergehalt in % wie folgt bestimmt:

Figure DE102013107188A1_0002
Corresponding to that in [0059] to [0062] of the referenced DE 102011056404 The cluster content in% is determined as follows:
Figure DE102013107188A1_0002

Durch den Clustergehalt in % in der zu bewertenden Gesamtfläche oder in der hinterlegten Kontur (z. B. der Blankoberfläche oder neuen Prüfoberfläche) wird eine Qualitätseinstufung vorgenommen.The cluster content in% in the total area to be evaluated or in the stored contour (eg the blank surface or new test surface) is used to make a quality rating.

Niederohmiges monokristallines VGF-Silizium-Material für Funktionsbauteile wie z. B. Sputtertargets oder Showerheads wird in folgende fünf Qualitätsklassen eingeteilt:

Klasse C1:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von 0% Clustern aufweist, der von Versetzungsclustern oder Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Klasse C2:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 25% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Klasse C3:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 50% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Klasse C4:
Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 cm–2 bis kleiner 1 × 106 cm–2 in seinem monokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 80% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Klasse C5:
Silizium-Material, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 100% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Low-resistance monocrystalline VGF silicon material for functional components such. B. sputtering targets or showerheads is divided into the following five quality classes:
Class C1:
Single-dislocation silicon material in the range of greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume having an area fraction of 0% clusters on a slice through the material; interspersed with dislocation clusters or small angle grain boundaries.
Class C2:
Silicon material with discrete dislocations in the range from greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has an area fraction of less than or equal to 25% on a sectional surface through the material. which is interspersed by dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Class C3:
Silicon material with discrete dislocations ranging from greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has an area fraction of less than or equal to 50% on a sectional surface through the material. which is interspersed by dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Class C4:
Silicon material with discrete dislocations in the range from greater than 1 × 10 2 cm -2 to less than 1 × 10 6 cm -2 in its monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has an area fraction of less than or equal to 80% on a sectional surface through the material. which is interspersed by dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Class C5:
A silicon material having an area fraction of less than or equal to 100% on a cut surface through the material interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries.

Bei der Klassifizierung des mono oder quasimonokristallinen Siliziums für Anwendungsgebiete sind die Klassen FK1 bis FK5, Z1 bis Z5 und C1 bis C5 zur Bewertung heranzuziehen.When classifying mono or quasi-monocrystalline silicon for applications, the classes FK1 to FK5, Z1 to Z5 and C1 to C5 shall be used for the assessment.

Je nach Anwendungsfall ist unterschiedliches Materialverhalten unter Einsatzbedingungen zu beobachten und deshalb Material einer bestimmten Klasse auszuwählen. Depending on the application, different material behavior under operating conditions can be observed and therefore material of a particular class must be selected.

Ein wichtiges Materialverhalten ist zum Beispiel:

  • – der flächige Ätzabtrag pro Zeiteinheit (insbesondere z. B. in Plasmaätzanlagen)
  • – die Homogenität des Ätzabtrages (insbesondere z. B. in Plasmaätzanlagen)
  • – die Partikelfreisetzung unter Einsatzbedingungen (insbesondere z. B. in Plasmaätzanlagen)
  • – die Standzeit des Bauteiles
An important material behavior is for example:
  • The areal etching removal per unit of time (in particular, for example, in plasma etching plants)
  • The homogeneity of the etching removal (in particular, for example, in plasma etching plants)
  • Particle release under conditions of use (in particular, for example, in plasma etching plants)
  • - the service life of the component

Hinsichtlich der Stärke der Beeinflussung der vorgenannten Materialverhalten wirken die definierten Klassen unterschiedlich stark:

Klassen Z:
vergleichsweise schwach negative Wirkung
Klassen C:
vergleichsweise moderat negative Wirkung
Klassen FK:
vergleichsweise stark negative Wirkung
With regard to the strength of the influencing of the aforementioned material behavior, the defined classes have different strengths:
Classes Z:
relatively weak negative effect
Classes C:
relatively moderately negative effect
Classes FK:
comparatively strong negative effect

Unabhängig ob ein nach vorliegender Erfindung bewertetes niederohmiges Silizium-Material in eine der Klassen Z, C oder FK eingruppiert wurde und zur Fertigung von Funktionsbauteilen in Ätzanlagen (egal ob mit oder ohne Plasmaunterstützung), CVD-Anlagen (egal ob mit oder ohne Plasmaunterstützung) oder anderem Equipment zur Prozessierung von Halbleiterbauelementen verwendet wurde, wies es stets bessere Einsatzcharakteristika auf als traditionelles niederohmiges multikristallines Material.Regardless of whether a rated according to the present invention, low-resistance silicon material in one of the classes Z, C or FK was grouped and for the production of functional components in etching equipment (whether with or without plasma support), CVD systems (whether with or without plasma support) or other equipment used to process semiconductor devices, it has always had better operational characteristics than traditional low resistance multicrystalline material.

Für die Halbleiterfertigung geeignetes niederohmiges monokristallines Silizium-Material aus dem CZ- oder FZ-Verfahren ist dem niederohmigen Silizium-Material nach vorliegender Erfindung hinsichtlich seiner Einsatzcharakteristika nur noch schwach überlegen.For the semiconductor manufacturing suitable low-resistance monocrystalline silicon material from the CZ or FZ method is the low-resistance silicon material according to the present invention, only weakly superior in terms of use characteristics.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

In eine G4-Ofenanlage wird ein Tiegel mit Tiegelaufsatz mit einer Gesamthöhe von 760 mm eingebracht. In dem Tiegel befinden sich eine monokristalline Keimplatte mit einer Länge × Breite von 600 mm × 600 mm und einer Höhe von 40 mm, polykristalliner Siliziumrohstoff mit einer Gesamteinwaage von 450 kg und 21 g Bor Die Keimplatte wird am Tiegelboden so positioniert, dass umlaufend ein gleichmäßiger Spalt zwischen Keimplatte und Tiegelwand bleibt. Die Ofenanlage besitzt drei Heizzonen: Deckenheizer, Mantelheizer und Bodenheizer. Im unteren Bereich der Anlage befindet sich eine aktive Kühlanordnung, die aus wassergekühlter Kupferplatte und einem darüber sitzenden hochwärmeleitfähigen Graphitblock identischer Geometrieform besteht. Die Kühlanordnung kann über einen Hubmechanismus vertikal verfahren werden und kontaktiert über den Graphitblock die Tiegelaufstellplatte. Die wassergekühlte Cu-Platte und der Graphit besitzen je eine Bohrung am Rand, durch die ein Pyrometer direkt von unten auf die Tiegelaufstellplatte sehen kann. Dieses Pyrometer dient zur Kontrolle der Keimplattentemperatur. Zu Beginn der Schmelzphase befindet sich die Kühlplatte in der unteren Position, und alle Heizer sind aktiv. Das kristalline Silizium wird von oben her aufgeschmolzen. Ab einer bestimmten Temperatur wird die Kühlplatte teilweise nach oben gefahren und die Leistung des Bodenheizers reduziert. Zu diesem Zeitpunkt hat die Kühlplatte noch keinen Kontakt mit der darüber liegenden Tiegelaufstellplatte. Der Bodenheizer umschließt im komplett nach oben gefahrenen Zustand den Graphitzylinder. Während der Schmelzphase wird am Boden gleichzeitig gekühlt und geheizt, um einerseits den Keim nicht vollständig aufzuschmelzen, aber andererseits Wärmeverluste am Rand des Tiegels zu minimieren. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich insbesondere beim Ankeimprozess eine ebene Phasengrenze einstellt. Die vom Pyrometer bestimmte Temperatur am Messort unterhalb der Tiegelaufstellplatte durchläuft bei jedem Prozess ein Minimum, welches als Absolutwert bestimmt und gespeichert wird. Über die Temperaturdifferenz zwischen aktuellem Temperaturwert nach Durchlaufen des Minimums und dem zuvor bestimmten Minimum wird die Höhe der Ankeimstelle festgelegt. Dies entspricht einer Temperaturdifferenz zwischen Messwert und Temperaturminimum von 20 K. Ist diese Differenz erreicht, wird die Kristallisation eingeleitet. Die Ankeimstelle liegt bei einem Keim mit einer Höhe von 40 mm bei dann im Bereich von 15–25 mm über dem Tiegelboden. Um die Kristallisation zu starten, wird die Kühlplatte vollständig an die Tiegelaufstellplatte herangefahren. Über den Kontakt mit der Tiegelaufstellplatte erhöht sich die Wärmeabfuhr nach unten, und die Phasengrenze wandert nach oben. Während der Kristallisation werden zusätzlich alle Heizertemperaturen gemäß einem Temperatur-Zeit-Profil verringert. Ist die Kristallisation abgeschlossen, wird die Abkühlphase eingeleitet. Die Abkühlraten betragen maximal 100 K/h.A crucible with crucible attachment with a total height of 760 mm is placed in a G4 furnace. The crucible is a monocrystalline seed plate with a length × width of 600 mm × 600 mm and a height of 40 mm, polycrystalline silicon raw material weighing a total of 450 kg and 21 g of boron The germ plate is positioned on the bottom of the crucible so that a more uniform Gap between germ plate and crucible wall remains. The furnace system has three heating zones: ceiling heater, jacket heater and bottom heater. In the lower part of the system is an active cooling arrangement, which consists of water-cooled copper plate and an overlying highly heat-conductive graphite block identical geometry shape. The cooling arrangement can be moved vertically by means of a lifting mechanism and contacts the crucible installation plate via the graphite block. The water-cooled copper plate and the graphite each have a hole at the edge through which a pyrometer can see directly from below on the crucible mounting plate. This pyrometer is used to control the germplasm temperature. At the beginning of the melting phase, the cooling plate is in the lower position and all heaters are active. The crystalline silicon is melted from above. From a certain temperature, the cooling plate is partially moved up and reduces the performance of the floor heater. At this time, the cooling plate still has no contact with the overlying crucible mounting plate. The bottom heater encloses the graphite cylinder when fully driven upwards. During the melting phase, the soil is simultaneously cooled and heated to not completely melt the seed but to minimize heat losses at the edge of the crucible. The cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures in such a way that, especially during the seeding process, a flat phase boundary is established. The temperature determined by the pyrometer at the measuring location below the crucible setting plate goes through a minimum in each process, which is determined and stored as an absolute value. The temperature difference between the current temperature value after passing through the minimum and the previously determined minimum is used to determine the height of the seeding point. This corresponds to a temperature difference between measured value and temperature minimum of 20 K. If this difference is reached, the crystallization is initiated. The Ankeimstelle lies with a germ with a height of 40 mm and then in the range of 15-25 mm above the crucible bottom. To start the crystallization, the cooling plate is fully moved up to the crucible mounting plate. Contact with the crucible mounting plate increases the heat dissipation downwards and the phase boundary moves upwards. During crystallization, all heater temperatures are additionally reduced according to a temperature-time profile. When crystallization is complete, the cooling phase is initiated. The cooling rates are a maximum of 100 K / h.

Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt.Thereafter, the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible.

Auf einer Bandsäge wird der Ingotboden in einer Dicke von 45 mm abgetrennt. Auf diese Weise wird eine Platte gewonnen, die nach einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material und nachfolgender Reinigung erneut als Keim eingesetzt wird. Vom verbliebenen Ingot werden nun Seitenteile derart abgesägt, dass die entstehende Ingot-Grundfläche auf 630 mm × 630 mm verkleinert ist. On a band saw the ingot soil is separated in a thickness of 45 mm. In this way, a plate is recovered, which is used again as a germ after a sandblasting process with suitable material and subsequent cleaning. From the remaining ingot side parts are now sawn off so that the resulting ingot base area is reduced to 630 mm × 630 mm.

Durch Messung des Verlaufs des spezifischen Widerstandes nach dem 4-Spitzen Messverfahren an einer Probe aus einem Seitenteil entlang der Wachstumsrichtung wird bestätigt, dass der durch die Dotierung vorausberechnete Verlauf auch tatsächlich erreicht wurde.By measuring the resistivity profile according to the 4-peak measurement method on a sample from a side part along the growth direction, it is confirmed that the course predicted by the doping has actually been achieved.

Der Ingot wird auf eine Seitenfläche gelegt, und es erfolgt ein Deckelschnitt, der das erfahrungsgemäß infolge Segregation mit Verunreinigungen belastete und daher unbrauchbare Material in geeigneter Dicke entfernt. Damit ist sowohl am Boden als auch am Deckel erkennbar, wie groß der monokristalline Bereich im Zentrum des Ingots ist.The ingot is placed on a side surface, and there is a lid cut, which removes the experience according to segregation contaminated with impurities and therefore useless material of appropriate thickness. This shows how large the monocrystalline area is in the center of the ingot both on the bottom and on the lid.

Basierend auf diesem Ergebnis und entsprechend den konkreten geometrischen Anforderungen werden Scheiben mit entsprechendem Dickenaufmaß aus dem Ingot herausgeschnitten, die ausreichen, um Blanks für Funktionsbauteile herauszuschneiden.Based on this result and according to the specific geometric requirements, slices with a corresponding thickness allowance are cut out of the ingot, which are sufficient to cut out blanks for functional components.

Unter schräg einfallendem Licht einer Beleuchtungsquelle erfolgt eine Markierung des monokristallinen Bereichs (Zentrumsbereich) der Scheibe. Der außerhalb befindliche Randbereich ist demzufolge der multikristalline Bereich der Scheibe.Under obliquely incident light of a source of illumination is a marking of the monocrystalline region (center region) of the disc. The outer edge region is therefore the multicrystalline region of the disc.

Der monokristalline Zentrumsbereich wird nunmehr wie weiter vorn bereits beschrieben genauer untersucht, in welcher Anzahl bzw. an welchem Ort innerhalb der monokristallinen Matrix noch Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen vorhanden sein könnten und in welche Klasse FK1 bis FK5 bzw. Z1 bis Z5 dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteilen wie z. B. Blanks für Showerheads oder runde bzw. rechtwinklige Sputtertargets der Abmaße ⌀ 450 mm × 10 mm oder 320 mm × 100 mm × 8 mm oder eine Fläche von ca. 420 mm × ca. 170 mm × ca. 12 mm für zwei Hälften eines Racetrack Target geeignet erscheinen, eingeteilt werden. Weiterhin wird dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteilen geeignet erscheinen, mittels rasternden oder bildgebenden Messtechniken (wie MDP, μ-PCD oder bei niederohmigen Material bevorzugt PL) untersucht und in die Klassen C1 bis C5 eingeteilt.As already described above, the monocrystalline center region is now examined in more detail as to which number or location within the monocrystalline matrix extraneous grains or twin boundaries could be present and in which class FK1 to FK5 or Z1 to Z5 this center region or correspondingly predetermined areas from it, for the production of functional components such. B. blanks for showerheads or round or rectangular sputtering targets the dimensions ⌀ 450 mm × 10 mm or 320 mm × 100 mm × 8 mm or an area of about 420 mm × 170 mm × about 12 mm for two halves of a Racetrack Target appear appropriate, to be classified. Furthermore, this center area or corresponding predetermined areas thereof, which appear suitable for the production of functional components, by means of scanning or imaging measurement techniques (such as MDP, μ-PCD or low-resistance material preferably PL) examined and divided into the classes C1 to C5.

Falls nötig wird aus dem monokristallinen Zentrumsbereich auch noch eine Probe herausgeschnitten, um mittels eines 4-Spitzenmessplatzes den spezifischen Widerstand zu kontrollieren, d. h. zu bestätigen, dass er z. B. innerhalb des geforderten Bereiches von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm liegt.If necessary, a sample is also cut out of the monocrystalline center region to control the resistivity using a 4-tip measuring station, i. H. to confirm that he z. B. within the required range of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm.

Entsprechend den Anforderungen an das Blank, des gemessenen spezifischen Widerstands und anhand der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1–FK5, Z1–Z5 und C1–C5) geeigneten Bereiches des monokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in den 3a oder 3b) für das Blank erfolgt nun das Herausarbeiten des Blanks aus der Scheibe. Die Blankoberfläche entspricht nun einer neu definierten Prüfoberfläche, für die die Klassifizierung gilt.Corresponding to the requirements for the blank, the measured resistivity and the selection of a region of the monocrystalline center region A suitable for dimensions and classification (FK1-FK5, Z1-Z5 and C1-C5) (see example in FIGS 3a or 3b ) for the blank is now working out of the blanks from the disc. The blank surface now corresponds to a newly defined test surface for which the classification applies.

Sind Blanks für mehrere gleichartige oder verschiedene Bauteile gefordert, wird entsprechend 1, 2 und 3 eine Optimierung vorgenommen, die auf den geometrischen Abmessungen und den lokal unterschiedlichen Klassifizierungsergebnissen der monokristallinen Bereiche entnommener Scheiben basiert.Blanks are required for several identical or different components, is accordingly 1 . 2 and 3 an optimization based on the geometrical dimensions and locally different classification results of the monocrystalline regions removed slices.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

In eine G5-VGF-Ofenanlage wird ein Tiegel mit Tiegelaufsatz mit einer Gesamthöhe von 780 mm eingebracht. In dem Tiegel befinden sich eine monokristalline Silizium-Keimplatte mit einer Höhe von 45 mm, polykristalliner Siliziumrohstoff mit einer Gesamteinwaage von 700 kg und 33 g Bor. Die aus einem vorangegangenen Prozess gewonnene großflächige Keimplatte ist so dimensioniert und am Tiegelboden positioniert, dass umlaufend ein Spalt von ca. 20 mm bleibt. Ihre Oberfläche ist in einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material aufgeraut. Darüber und in den Spalt zwischen Keimplatte und Tiegelwand wird kristalliner Siliziumrohstoff gefüllt. Die Ofenanlage ist eine Mehrzonenofenanlage mit insgesamt vier temperaturgeregelten Heizzonen: Deckenheizer, Mantelheizer oben, Mantelheizer unten und Bodenheizer. Unter der Tiegelaufstellplatte befindet sich eine aktive Kühleinrichtung. Als Kühlmedium wird gasförmiger Stickstoff verwendet. Die Abmessungen der Kühleinrichtung (Länge, Breite) entsprechen mindestens den Abmessungen der Tiegelaufstellplatte. Unterhalb der Tiegelaufstellplatte im randnahen Bereich des Tiegels befindet sich ein Thermoelement zur Kontrolle der Keimplattentemperatur. Dieses Thermoelement wird von unten in einem Schutzrohr in die Kühleinrichtung geführt, welche aus einem gut wärmeleitenden Graphit besteht. Das Schutzrohr stößt von unten an die darüber liegende Graphitplatte. Auf dieser Graphitplatte aufliegend befinden sich die Tiegelaufstellplatte aus Graphit und darüber der Tiegel.In a G5-VGF furnace plant, a crucible with crucible attachment with a total height of 780 mm is introduced. The crucible contains a monocrystalline silicon seed plate with a height of 45 mm, polycrystalline silicon raw material with a total weight of 700 kg and 33 g of boron. The large-area seed plate obtained from a previous process is dimensioned and positioned on the bottom of the crucible so that there is a gap all around of about 20 mm remains. Their surface is roughened in a sandblasting process with suitable material. Above and into the gap between germ plate and crucible wall crystalline silicon raw material is filled. The kiln plant is a multi-zone kiln plant with a total of four temperature-controlled heating zones: ceiling heaters, overhead heaters, bottom heaters and bottom heaters. Under the crucible mounting plate is an active cooling device. The cooling medium used is gaseous nitrogen. The dimensions of the cooling device (length, width) correspond at least to the dimensions of the crucible mounting plate. Below the crucible mounting plate in the region near the edge of the crucible is a thermocouple for Control of germplasm temperature. This thermocouple is guided from below in a protective tube in the cooling device, which consists of a good thermal conductivity graphite. The protective tube abuts the overlying graphite plate from below. On top of this graphite plate are the crucible mounting plate made of graphite and above it the crucible.

Der Aufschmelzprozess ist so gestaltet, dass der Siliziumrohstoff von oben her aufgeschmolzen und die Silizium-Keimplatte nur teilweise angeschmolzen wird. Hierfür wird ein Temperaturprofil eingestellt, welches VGF-typisch am Deckenheizer eine höhere Temperatur als am Bodenheizer aufweist. Während der Aufschmelzphase ist der Bodenheizer nur anfangs im Betrieb und wird später abgeschaltet, um ein Aufschmelzen des monokristallinen Keimes zu verhindern. Ab dem Erreichen von ca. 1400°C am Seitenheizer wird die Gaskühlung aktiviert. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich insbesondere beim Ankeimprozess eine ebene Phasengrenze einstellt. Auch nach Aktivierung der Gaskühlung schmilzt der polykristalline Siliziumrohstoff oberhalb der Keimplatte weiterhin auf. Im weiteren Verlauf werden ab einem vordefinierten Temperaturwert die Heizertemperaturen gehalten. Auch in diesem Zustand schmilzt der polykristalline Siliziumrohstoff weiterhin auf. Die Temperatur an der Messstelle unterhalb der Tiegelaufstellplatte durchläuft bei jedem Prozess ein Minimum, welches als Absolutwert bestimmt und gespeichert wird. Die Gesamtheizleistung sinkt im gleichen Zeitabschnitt weiter kontinuierlich ab. An der Temperatur des Thermoelementes bzw. exakter durch die Temperaturdifferenz zwischen aktuellem Messwert und dem zuvor gespeichertem Temperaturminimum, kann die Höhe der Ankeimstelle bestimmt werden. Bei einem Keim mit der Höhe 45 mm liegt die Ankeimstelle idealerweise im Bereich von 25 mm bis 35 mm über dem Tiegelboden. Dies entspricht einer Temperaturdifferenz zwischen Messwert und Temperaturminimum von 8 K –12 K. Ist diese Differenz erreicht, wird die Kristallisation eingeleitet. Dabei können zwischen Temperaturminimum und Start der Kristallisation mehrere Stunden liegen. Die Kristallisation wird zum einen über eine Erhöhung der Kühlleistung der Gaskühlung und zum anderen über ein geregeltes Temperatur-Zeit-Profil der aktiven Heizer initiiert. Hierbei wird die Kühlleistung rasch erhöht, z. B. von 5 kW auf 20 kW, um ein Durchschmelzen des Keimes zu verhindern. Die Temperaturen der Heizzonen werden langsam verringert. Die Abkühlraten liegen im Bereich von –0,4 K/h bis –15 K/h. Durch entsprechende Wahl der Heizertemperaturen und der Kühlleistung wird eine konvexe Phasengrenze im Zentrum eingestellt, die den polykristallinen Randbereich weiter nach außen drängt bzw. dort ein vertikales kolumnares Wachstum unterstützt. Ist der Ingot fertig kristallisiert, beginnt die Abkühlphase. Während der Abkühlphase werden die Heizer über ein weiteres Temperatur-Zeit-Profil geregelt. Die Abkühlraten betragen –10 K/h bis –80 K/h.The melting process is designed so that the silicon raw material is melted from above and the silicon seed plate is only partially melted. For this purpose, a temperature profile is set, which typically has a higher temperature on the ceiling heater than on the bottom heater. During the melting phase of the bottom heater is only initially in operation and is turned off later to prevent melting of the monocrystalline nucleus. From reaching about 1400 ° C on the side heater, the gas cooling is activated. The cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures in such a way that, especially during the seeding process, a flat phase boundary is established. Even after activation of the gas cooling, the polycrystalline silicon raw material continues to melt above the germplate. In the further course, the heater temperatures are kept at a predefined temperature value. Also in this state, the polycrystalline silicon raw material continues to melt. The temperature at the measuring point below the crucible setting plate goes through a minimum in each process, which is determined as an absolute value and stored. The total heating power continues to decrease continuously over the same period of time. At the temperature of the thermocouple or more precisely by the temperature difference between the current measured value and the previously stored temperature minimum, the height of the Ankeimstelle can be determined. In the case of a germ of 45 mm height, the germination site is ideally in the range of 25 mm to 35 mm above the crucible bottom. This corresponds to a temperature difference between the measured value and the temperature minimum of 8 K-12 K. If this difference is reached, the crystallization is initiated. It can be several hours between temperature minimum and start of crystallization. The crystallization is initiated on the one hand by increasing the cooling capacity of the gas cooling and on the other hand via a controlled temperature-time profile of the active heater. Here, the cooling capacity is increased rapidly, z. B. from 5 kW to 20 kW to prevent melting of the germ. The temperatures of the heating zones are slowly reduced. The cooling rates are in the range of -0.4 K / h to -15 K / h. By appropriate selection of the heater temperatures and the cooling capacity, a convex phase boundary is set in the center, which pushes the polycrystalline edge region further outward or supports a vertical columnar growth there. When the ingot has finished crystallizing, the cooling phase begins. During the cooling phase, the heaters are controlled by a further temperature-time profile. The cooling rates are -10 K / h to -80 K / h.

Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt.Thereafter, the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible.

Auf einer Bandsäge wird der Ingotboden in einer Dicke von 45 mm abgetrennt. Auf diese Weise wird eine Platte gewonnen, die nach einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material und nachfolgender Reinigung erneut als Keim eingesetzt wird. Vom verbliebenen Ingot werden nun Seitenteile derart abgesägt, dass die entstehende Ingot-Grundfläche auf 780 mm × 780 mm verkleinert ist.On a band saw the ingot soil is separated in a thickness of 45 mm. In this way, a plate is recovered, which is used again as a germ after a sandblasting process with suitable material and subsequent cleaning. From the remaining ingot side parts are now sawn off so that the resulting ingot base area is reduced to 780 mm × 780 mm.

Durch Messung des Verlaufs des spezifischen Widerstandes an einem Seitenteil entlang der Wachstumsrichtung wird bestätigt, dass der durch die Dotierung vorausberechnete Verlauf auch tatsächlich erreicht wurde. Der Ingot wird auf eine Seitenfläche gelegt, und es erfolgt ein Deckelschnitt, der das erfahrungsgemäß infolge Segregation mit Verunreinigungen belastete und daher unbrauchbare Material in geeigneter Dicke entfernt. Damit ist sowohl am Boden als auch am Deckel erkennbar, wie groß der monokristalline Bereich im Zentrum des Ingots ist.By measuring the profile of the resistivity at a side part along the growth direction, it is confirmed that the course predicted by the doping has actually been achieved. The ingot is placed on a side surface, and there is a lid cut, which removes the experience according to segregation contaminated with impurities and therefore useless material of appropriate thickness. This shows how large the monocrystalline area is in the center of the ingot both on the bottom and on the lid.

Basierend auf diesem Ergebnis und entsprechend den konkreten geometrischen Anforderungen werden Scheiben mit entsprechendem Dickenaufmaß aus dem Ingot herausgeschnitten, die ausreichen, um z. B. runde bzw. rechtwinklige Sputtertargets der Abmaße ⌀ 450 mm × 10 mm oder 320 mm × 100 mm × 8 mm oder eine Fläche von ca. 700 mm × ca. 123 mm × ca. 12 mm für ein aus einem Stück herzustellenden Racetrack Target zu fertigen. Unter schräg einfallendem Licht einer Beleuchtungsquelle erfolgt eine Markierung des monokristallinen Bereichs (Zentrumsbereich) der Scheibe. Der außerhalb befindliche Randbereich ist demzufolge der multikristalline Bereich der Scheibe.Based on this result and in accordance with the specific geometric requirements, slices with a corresponding thickness allowance are cut out of the ingot, which are sufficient to produce, for. B. round or rectangular sputtering targets of dimensions ⌀ 450 mm × 10 mm or 320 mm × 100 mm × 8 mm or an area of about 700 mm × about 123 mm × about 12 mm for a one-piece Racetrack Target to manufacture. Under obliquely incident light of a source of illumination is a marking of the monocrystalline region (center region) of the disc. The outer edge region is therefore the multicrystalline region of the disc.

Der monokristalline Zentrumsbereich wird nunmehr wie weiter vorn bereits beschrieben genauer untersucht, in welcher Anzahl bzw. an welchem Ort innerhalb der monokristallinen Matrix noch Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen vorhanden sein könnten und in welche Klasse FK1 bis FK5 bzw. Z1 bis Z5 dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteilen geeignet erscheinen, eingeteilt werden. Weiterhin wird dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteile geeignet erscheinen, mittels rasternden oder bildgebenden Messtechniken (wie MDP, μ-PCD oder bei niederohmigen Material bevorzugt PL) untersucht und in die Klassen C1 bis C5 eingeteilt.As already described above, the monocrystalline center region is now examined in more detail as to which number or location within the monocrystalline matrix extraneous grains or twin boundaries could be present and in which class FK1 to FK5 or Z1 to Z5 this center region or correspondingly predetermined areas from it, which appear suitable for the production of functional components, be classified. Furthermore, this center area or corresponding predetermined areas thereof, which appear suitable for the production of functional components, by means of rastering or imaging Measuring techniques (such as MDP, μ-PCD or low-resistance material preferred PL) and divided into the classes C1 to C5.

Falls nötig wird aus dem monokristallinem Zentrumsbereich auch noch eine Probe herausgeschnitten, um mittels eines 4-Spitzen-Messplatzes den spezifischen Widerstand zu kontrollieren, d. h. zu bestätigen, dass er z. B. innerhalb des geforderten Bereiches von 0,001 Ωcm bis 0,2 Ωcm liegt.If necessary, a sample is also cut out of the monocrystalline center region to control the resistivity by means of a 4-tip measuring station, i. H. to confirm that he z. B. within the required range of 0.001 Ωcm to 0.2 Ωcm.

Entsprechend den Anforderungen an das Blank, des gemessenen spezifischen Widerstands und anhand der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1–FK5, Z1–Z5 und C1–C5) geeigneten Bereiches des monokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in den 3a oder 3b) für das Blank erfolgt nun das Herausarbeiten des Blanks aus der Scheibe. Die Blankoberfläche entspricht nun einer neu definierten Prüfoberfläche, für die die Klassifizierung gilt.Corresponding to the requirements for the blank, the measured resistivity and the selection of a region of the monocrystalline center region A suitable for dimensions and classification (FK1-FK5, Z1-Z5 and C1-C5) (see example in FIGS 3a or 3b ) for the blank is now working out of the blanks from the disc. The blank surface now corresponds to a newly defined test surface for which the classification applies.

Sind Blanks für mehrere gleichartige oder verschiedene Bauteile gefordert, wird entsprechend 1, 2 und 3 eine Optimierung vorgenommen, die auf den geometrischen Abmessungen und den lokal unterschiedlichen Klassifizierungsergebnissen der monokristallinen Bereiche entnommener Scheiben basiert.Blanks are required for several identical or different components, is accordingly 1 . 2 and 3 an optimization based on the geometrical dimensions and locally different classification results of the monocrystalline regions removed slices.

Zusammenfassend wird somit ein Blank, wie vorstehend beschrieben, ein Verfahren zu dessen Herstellung, wie vorstehend beschrieben, sowie dessen Verwendung für Funktionsbauteile aus mono- bzw. quasimonokristallinem Silizium, wie z. B. Sputtertargets oder Showerheads, wie vorstehend beschrieben, offenbart.In summary, therefore, a blank, as described above, a method for its preparation, as described above, and its use for functional components of mono- or quasi-monocrystalline silicon, such as. Sputtering targets or showerheads as described above.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2028292 [0009, 0009] EP 2028292 [0009, 0009]
  • WO 2007/084934 [0009, 0009] WO 2007/084934 [0009, 0009]
  • WO 2009/014957 [0009, 0009] WO 2009/014957 [0009, 0009]
  • DE 102011056404 [0087, 0089] DE 102011056404 [0087, 0089]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • http://www.spm.li/deutsch/sputtering-targets/silizium/ [0006] http://www.spm.li/deutsch/sputtering-targets/silizium/ [0006]
  • Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372(2013)121–128 [0020] Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372 (2013) 121-128 [0020]

Claims (20)

Blank aus mono- oder quasimonokristallinem Silizium-Material zur Verwendung für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere als Sputtertarget, oder Showerhead, wobei – das Blank in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 bis kleiner 1 × 106 cm–2 aufweist und – das Blank einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,2 Ωcm aufweist.Blank of mono- or quasi-monocrystalline silicon material for use in functional components in semiconductor processing equipment, in particular as a sputtering target, or showerhead, wherein - the blank in areas on its top or bottom containing no clusters of dislocations or small-angle grain boundaries has a concentration of Individual dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 to less than 1 × 10 6 cm -2 and - the blank has a specific resistance of 0.001 to 0.2 Ωcm. Blank nach Anspruch 1, das auf seiner Ober- oder Unterseite zusätzlich zu den Bereichen, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, weiterhin Bereiche aufweist, die Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten.Blank according to claim 1, further comprising areas containing clusters of dislocations or small angle grain boundaries on its top or bottom in addition to the areas not containing clusters of dislocations or small angle grain boundaries. Blank nach Anspruch 1 oder 2, das auf seiner Ober- oder Unterseite einen vorbestimmten Flächenanteil an Pixeln aufweist, die Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten und als Schlechtpixel bewertet wurden.Blank according to claim 1 or 2, having on its top or bottom a predetermined areal proportion of pixels containing clusters of dislocations or small angle grain boundaries and evaluated as bad pixels. Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite Fremdkörner einer Größe kleiner 50 mm2 aufweist.Blank according to one of the preceding claims, which has on its top or bottom foreign grains of a size smaller than 50 mm 2 . Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Fremdkörnern einer Größe kleiner 50 mm2 aufweistBlank according to one of the preceding claims, which has on its top or bottom a predetermined number of foreign grains of a size smaller than 50 mm 2 Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite Zwillingsgrenzen aufweist.Blank according to one of the preceding claims, which has twin boundaries on its top or bottom. Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Zwillingsgrenzen aufweist.Blank according to one of the preceding claims, having a predetermined number of twin boundaries on its top or bottom. Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine Kombination von Klassen der Fehler Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörner und Zwillingsgrenzen aufweist.Blank according to one of the preceding claims, having on its top or bottom side a combination of classes of defects clusters of dislocations or small angle grain boundaries, foreign grains and twin boundaries. Blank nach Anspruch 8, das auf seiner Ober- oder Unterseite Kombinationen aller drei Klassen der Fehler aus Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörnern und Zwillingsgrenzen aufweist.Blank according to claim 8, having on its top or bottom side combinations of all three classes of defects from clusters of dislocations or small angle grain boundaries, foreign grains and twin boundaries. Blank nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das einen Durchmesser oder eine Diagonale von größer 320 mm aufweist oder dessen kürzere Kantenlänge größer als 320 mm ist.Blank according to one of claims 1 to 9, which has a diameter or a diagonal of greater than 320 mm or whose shorter edge length is greater than 320 mm. Blank nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das einen Durchmesser oder eine Diagonale von größer 470 mm aufweist oder dessen kürzere Kantenlänge größer als 470 mmmm ist.Blank according to one of claims 1 to 9, which has a diameter or a diagonal of greater than 470 mm or whose shorter edge length is greater than 470 mmmm. Verwendung des Blanks nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Herstellung von Funktionsbauteilen in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere von Sputtertargets oder Showerheads.Use of the blank according to one of the preceding claims for the production of functional components in systems for semiconductor processing, in particular of sputtering targets or showerheads. Verwendung nach Anspruch 10, wobei das Blank – eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von 102 bis 106 cm–2 in seinem versetzungscluster- und damit kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen und/oder – einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,2 Ωcm aufweist.Use according to claim 10, wherein the blank has a concentration of discrete dislocations in the range of 10 2 to 10 6 cm -2 in its dislocation cluster and thus small angle grain boundary free volume and / or a resistivity of 0.001 to 0.2 Ωcm. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Blank auf seiner größten Ober- oder Unterseite einen definierten Flächenanteil aufweist, der von Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.Use according to claim 10 or 11, wherein the blank on its largest top or bottom has a defined area fraction, which is interspersed by clusters of dislocations or Kleinwinkelkorngrenzen. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11, wobei keine intensive lokale Häufung von Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen auf der Ober- oder Unterseite des Blanks besteht.Use according to claim 10 or 11, wherein there is no intensive local accumulation of clusters of dislocations or small angle grain boundaries on the top or bottom of the blank. Verfahren zur Herstellung von Blanks gem. einem der Ansprüche 1–11 aus mono- oder quasimonokristallinem Silizium-Material für die Herstellung von Funktionsbauteilen in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere von Sputtertargets oder Showerheads, mit den folgenden Verfahrensschritten: – Herstellen eines mono- oder quasimonokristallinen Ingots durch gerichtete Erstarrung in einem Schmelztiegel; – Bodenschnitt, Mantelschnitt und Deckelschnitt am Ingot nach dessen Abkühlung und Entformung aus dem Schmelztiegel, um einen Ingotkern zu erhalten; – Festlegen einer monokristallinen Prüfoberfläche auf der Oberfläche des Ingotkerns oder einer von diesem abgetrennten Scheibe; – Prüfung und Bewertung der Prüfoberfläche hinsichtlich Gehalt, Verteilung und/oder Qualitätsrelevanz von zumindest einer der Größen: Fremdkörnern und Zwillingsgrenzen, Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, durch Anfertigung eines Scans der Prüfoberfläche und flächenmäßiger Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer oder einer daraus abgeleiteten physikalischen Größe zur Identifizierung von zumindest einem potentiellen Blank; – Heraustrennen des Blanks, so dass das herausgetrennte Blank in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 × 102 bis kleiner 1 × 106 cm–2 aufweist und wobei das herausgetrennte Blank einen spezifischen Widerstand von 0,001 bis 0,2 Ωcm aufweist.Process for the production of blanks acc. one of claims 1-11 of mono- or quasi-monocrystalline silicon material for the production of functional components in systems for semiconductor processing, in particular of sputtering targets or showerheads, with the following process steps: - Producing a mono- or quasi-monocrystalline ingot by directional solidification in a crucible; - Bottom section, mantle cut and lid cut on the ingot after its cooling and demolding from the crucible to obtain a Ingotkern; - determining a monocrystalline test surface on the surface of the ingot core or a slice separated therefrom; Testing and evaluation of the test surface with regard to content, distribution and / or quality relevance of at least one of the following: foreign and twin boundaries, clusters of dislocations or small angle grain boundaries, by making a scan of the test surface and areal determination of the carrier lifetime or a physical quantity derived therefrom to identify at least one potential blank; Separating out the blank such that the blank removed in areas on its top or bottom containing no clusters of dislocations or small angle grain boundaries has a concentration of discrete dislocations in the range of greater than 1 × 10 2 to less than 1 × 10 6 cm -2 and wherein the separated blank has a resistivity of 0.001 to 0.2 Ωcm. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte: – Messung des Verlaufs des spezifischen Widerstandes in Kristallisationsrichtung am Ingotkern; – Zerteilen des Ingots in Scheiben in einer Dicke, welche die Fertigung von Blanks gewünschter geometrischer Abmessungen ermöglicht.The method of claim 14 or 15, further comprising the method steps: - Measurement of the course of the resistivity in the direction of crystallization at the ingot core; - Slicing the ingot in a thickness which allows the production of blanks of desired geometric dimensions. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Bewertung der Prüfoberfläche und flächenmäßige Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer oder der daraus abgeleiteten physikalischen Größe durch Ermittlung eines Flächenanteils und mittels Bildauswertung von flächigen Aufnahmen der Prüfoberfläche ausgeführt wird, wobei Messwerte für die Ladungsträgerlebensdauer in Bereichen mit Versetzungsclustern unter einem Mittelwert der Messwerte der gesamten Prüfoberfläche liegen.Method according to one of claims 14 to 16, wherein the evaluation of the test surface and areal determination of the carrier lifetime or the physical quantity derived therefrom is carried out by determining a surface portion and by image evaluation of areal images of the test surface, wherein measured values for the carrier lifetime in areas with dislocation clusters an average of the measured values of the entire test surface. Verfahren nach Anspruch 17, wobei über die Definition eines Schwellenwerts für die Ladungsträgerlebensdauer oder einer mit dieser Ladungsträgerlebensdauer korrelierten Messgröße Flächenanteile von Bereichen mit Versetzungsclustern von Bereichen ohne Versetzungsclustern getrennt oder flächenanteilsmäßig quantifiziert werden.The method of claim 17, wherein the definition of a threshold value for the carrier lifetime or a measured variable correlated with this carrier lifetime is used to separately or area-wise quantify area proportions of areas with dislocation clusters from areas without dislocation clusters. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei ein Gehalt an Versetzungsclustern in % wie folgt bestimmt wird:
Figure DE102013107188A1_0003
wobei für Pixel der flächigen Aufnahmen der Prüfoberfläche stets die Ladungsträgerlebensdauer oder ein mit der Ladungsträgerlebensdauer des Materials korrelierter Wert bestimmt wird, dies für alle benachbarten Pixel in einer Teilfläche der zu bewertenden Gesamtfläche wiederholt wird, aus den in dieser Gesamtfläche mit einem Zentrumspixel enthaltenen vollständig eingeschlossenen Pixeln ein Mittelwertbild erzeugt wird, jeweils eine Differenz zwischen einem Mittelwert der benachbarten Pixel und dem jeweiligen Zentrumspixelmesswert gebildet wird und das Zentrumspixel als Schlechtpixel bewertet wird, wenn die Differenz einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und wobei das Zentrumspixel als Gutpixel bewertet wird, wenn die Differenz den vorbestimmten Schwellenwert nicht überschreitet.
The method of claim 17 or 18, wherein a content of dislocation clusters in% is determined as follows:
Figure DE102013107188A1_0003
wherein for pixels of the areal images of the test surface, the charge carrier lifetime or a value correlated with the charge carrier lifetime of the material is always repeated for all adjacent pixels in a partial area of the total area to be evaluated, from the pixels completely enclosed in this total area with a center pixel generating an average image, respectively forming a difference between an average of the adjacent pixels and the respective center pixel reading, and judging the center pixel as a bad pixel when the difference exceeds a predetermined threshold, and the center pixel being evaluated as a good pixel when the difference is the predetermined one Threshold does not exceed.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070006803A1 (en) * 2005-07-08 2007-01-11 Cadwell Tom L Detachable edge ring for thermal processing support towers
US20070020885A1 (en) * 2001-05-18 2007-01-25 Integrated Materials, Inc. Tube Formed of Bonded Silicon Staves
WO2007084934A2 (en) 2006-01-20 2007-07-26 Bp Corporation North America Inc. Methods and apparatuses for manufacturing monocrystalline cast silicon and monocrystalline cast silicon bodies for photovoltaics
WO2009014957A2 (en) * 2007-07-20 2009-01-29 Bp Corporation North America Inc. Methods for manufacturing cast silicon from seed crystals
EP2028292A2 (en) 2007-08-16 2009-02-25 Schott AG Method for manufacturing monocrystalline metal or semi-metal bodies
US20100124528A1 (en) * 2007-08-01 2010-05-20 Mitsubishi Materials Corporation High-strength columnar crystal silicon part of plasma etching device consisting thereof
DE102011056404A1 (en) 2011-12-14 2013-06-20 Schott Solar Ag Method for determining the quality of a silicon wafer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070020885A1 (en) * 2001-05-18 2007-01-25 Integrated Materials, Inc. Tube Formed of Bonded Silicon Staves
US20070006803A1 (en) * 2005-07-08 2007-01-11 Cadwell Tom L Detachable edge ring for thermal processing support towers
WO2007084934A2 (en) 2006-01-20 2007-07-26 Bp Corporation North America Inc. Methods and apparatuses for manufacturing monocrystalline cast silicon and monocrystalline cast silicon bodies for photovoltaics
WO2009014957A2 (en) * 2007-07-20 2009-01-29 Bp Corporation North America Inc. Methods for manufacturing cast silicon from seed crystals
US20100124528A1 (en) * 2007-08-01 2010-05-20 Mitsubishi Materials Corporation High-strength columnar crystal silicon part of plasma etching device consisting thereof
EP2028292A2 (en) 2007-08-16 2009-02-25 Schott AG Method for manufacturing monocrystalline metal or semi-metal bodies
DE102011056404A1 (en) 2011-12-14 2013-06-20 Schott Solar Ag Method for determining the quality of a silicon wafer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
http://www.spm.li/deutsch/sputtering-targets/silizium/
Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372(2013)121-128

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