DE102013107189A1

DE102013107189A1 - Rohling aus Silizium, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102013107189A1
Application number: DE102013107189.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Voitsch; Christian Lemke; Dietmar Jockel; Matthias Müller; Christian Kudla; Dr. Seidl Albrecht; Uwe Sahr
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2014-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von mono- oder quasimonokristallinem Silizium, welches bevorzugt nach dem Verfahren der gerichteten Erstarrung hergestellt wird, für hochohmige optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads. 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 größer als 5 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.

Description

Gebiet der Erfindung
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 optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μm bis 10 μm, bevorzugter im Bereich 1,4 μm bis 8 μm, und für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie zum Beispiel für Showerheads in z. B. Ätzanlagen, Reinigungsanlagen oder Beschichtungsanlagen.
Stand der Technik
Monokristalline hochohmige optische Bauteile aus Silizium und monokristalline hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung aus Silizium werden derzeit ausnahmslos aus Ingots gewonnen, die nach dem Czochralski(CZ)-Verfahren oder dem Float Zone(FZ)-Verfahren hergestellt werden. Hochohmig bezeichnet hier den Bereich des spezifischen Widerstandes von größer als 5 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.
Die gleichen geometrischen Limitierungen gelten auch für die Herstellung hochohmiger monokristalliner Showerheads, wie sie z. B. in Plasmaätzanlagen, Plasmareinigungsanlagen oder Beschichtungsanlagen verwendet werden.
Halbzeuge (auch Blanks oder Vorformen genannt) für monokristalline optische Bauteile oder für monokristalline Silizium-Funktionsbauteile in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern werden wegen dieser Limitierung stets nur so spezifiziert, dass sie aus den zylindrischen Silizium-Ingots herausgeschnitten werden können, aus denen standardmäßig auch Silizium-Halbleiterwafer hergestellt werden. Das Herausschneiden erfolgt dabei in radialer Richtung, wodurch runde Scheiben entstehen, deren Stirnflächen kristallografisch der Aufwachsrichtung des Kristalls (typisch (100) oder (111)) entsprechen. Der maximal mögliche Halbzeugdurchmesser entspricht dabei dem Ingotdurchmesser. Es können jedoch auch Halbzeuge für optische Elemente in Längsrichtung aus dem Ingot herausgeschnitten werden. Dabei ist die Länge durch die Ingotlänge und die Breite sowie die Dicke durch den Ingotdurchmesser begrenzt. Die Hauptmenge aller Ingots werden in (100)-Richtung gezüchtet. Die Einschränkung auf die Herstellungsverfahren CZ bzw. FZ limitiert daher besonders die Länge mal Breite von (100)-orientierten Halbzeugen.
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.
Die an Blanks für derartige optische Funktionsbauteile bzw. Bauteile gestellten Qualitätsanforderungen beinhalten bisher stets eine intrinsische Materialqualitätsanforderungen bzgl. Gehalt an metallischen Verunreinigungen, Stickstoff, Sauerstoff, an Kohlenstoff, den spezifischen elektrischen Widerstand und den Transmissionsgrad bei bestimmten Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung. Je nach Anwendungsfall wird noch eine Dotierungsart (p-leitend oder n-leitend), eine bestimmte kristallografische Orientierung in Verbindung mit dem Format (rund oder eckig) und eine bestimmte Reinheit (z. B. 7 N) gefordert.
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 die Anwendung als monokristalline hochohmige optische Bauteile aus Silizium bzw. für hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung aus Silizium wirklich zwingend notwendig ist.
Silizium als im infraroten Wellenlängenbereich transparentes Material wird bevorzugt im Wellenlängenbereich 1,4 bis 8 μm eingesetzt, mit einem Hauptanwendungsgebiet im mittleren infraroten Wellenlängenbereich von 2 μm–5 μm. Das wesentlich teurere Germanium wird vor allem verwendet, wenn das Anwendungsgebiet bis 14 μm erweitert werden muss.
In der Patentschrift DE 11 2009 004 379 T5 (entsprechend der US 2001/0243162 A1 ) wird ein Lösungsweg beschrieben, der dem Ziel eines kostengünstigen Produktes für infrarotoptische Elemente, insbesondere solchen, die in Geräten zur Detektion der von Lebewesen ausgehenden Wärmestrahlung verwendet werden, entspricht. Diese Lösung nutzt hochreines polykristallines Material, welches direkt aus dem Siemens-Prozess stammt und daher keine bestimmte Kristallorientierung aufweist. Auch erreicht es insbesondere im SWIR (short wavelength IR) 1,4 μm–3,3 μm aber auch dem MWIR (mid wavelength IR) 3,0 μm–8 μm nicht die für monokristallines Material erreichbare hohe Transmission. Weiterhin ist es bezüglich seiner geometrischen Abmessungen auf die für polykristalline Stabdurchmesser typische Größe von ca. 200 mm limitiert.
In der US2012/0176668 wird ein infrarotoptisches System beschrieben, dass allerdings auf monokristallines Silizium zurückgreift, welches nach dem CZ-Verfahren, dem MCZ-Verfahren (CZ-Verfahren unter Nutzung eines Magnetfeldes) oder dem FZ-Verfahren hergestellt ist. Dieses Vorgehen überwindet den Nachteil des hohen Materialpreises des monokristallinen Siliziums und den der begrenzten geometrischen Abmaße für einsetzbare Halbzeuge zur Fertigung der Linsenelemente nicht.
Für in der Halbleiterindustrie zur Prozessierung von Halbleitern eingesetzte Bauteile, insbesondere Elektrodenplatten zur Verteilung von Gasen (auch als Showerheads oder Electrode Plates oder Gas Distribution Plate bezeichnet) in Plasmaätzanlagen oder Platten zur Verteilung von Gasen in CVD-Anlagen (Chemical Vapour Deposition) verwendet, sind die Limitierungen vor allem geometrischer Natur. Elektrodenplatten müssen zum einen einen größeren Durchmesser haben als der prozessierte Wafer und zum anderen eine hohe radiale Homogenität des spezifischen Widerstandes aufweisen.
Die JP 2000-144457 beschreibt einen Weg, der es gestattet für das Trockenätzen eines Wafers mit max. 300 mm Durchmesser eine Elektrodenplatte eines um mindestens 20% größeren Durchmessers (gemäß konkreter Beschreibung in dieser Anmeldung: Durchmesser 365 mm × Dicke 11,2 mm) einzusetzen. Da zum damaligen Zeitpunkt noch keine CZ-Ingots größer 300 mm verfügbar waren, wurde ein multikristalliner Ingot verwendet. Da zum damaligen Zeitpunkt aber bereits bekannt war, dass die vielen Korngrenzen eines multikristallinen Ingots nachteilig sind, wurde dieser Nachteil abgemildert, indem gemäß dieser Erfindung die Scheibe zur Fertigung der Elektrodenplatte vertikal (d. h. in Wachstumsrichtung des Ingots) aus dem Ingot herausgeschnitten wurde.
Die Maximalgröße von Wafern ist derzeit 450 mm, wodurch während ihrer Prozessierung in Plasmaätzanlagen oder CVD-Anlagen entsprechend größere Elektrodenplatten bzw. Gas Distribution Plates benötigt werden. Unabhängig vom Durchmesser des zu ätzenden Wafers, werden Elektrodenplatten verwendet, die sogar bis zum Doppelten so große Durchmesser aufweisen, wie der zu ätzende Wafer.
Die Abmilderung des negativen Einflusses der Korngrenzen (Partikelgenerierung) wird in der JP 2000-144457 jedoch damit erkauft, dass infolge der Segregation beim Züchtungsprozess eine Änderung des spezifischen Widerstandes in Wachstumsrichtung des Ingots und damit quer über die Elektrodenplatte auftritt.
Die JP2007-158007 beschreibt die Variation des spezifischen Widerstandes selbst dann als nachteilig, wenn Electrode Plates aus CZ-Ingots gefertigt werden. Diese weisen verfahrensbedingt eine radiale Veränderung des spezifischen Widerstandes auf. Die JP 2007-158007 lehrt, dass die radiale Schwankung des spezifischen Widerstandes einer Electrode Plate 5% nicht überschreiten darf. Gemäß der Ausführungsbeispiele (insbesondere Beispiel 4) wird diese Grenze nur dann nicht überschritten, wenn wie z. B. in Beispiel 4 von einem CZ-Ingot mit 380 mm Durchmesser ein Randbereich von 40 mm abgetragen wird. Die finale Elektrodenplatte weist somit einen Durchmesser von lediglich 300 mm auf.
Unter Berücksichtigung der JP 2000-144457 und der JP 2007-158007 ist die Herstellung von Showerheads für Trockenätzanlagen für die Prozessierung von 450 mm Wafern aus Ingots aus dem CZ-Verfahren, welches momentan nur Ingots bis max. 550 mm Durchmesser zulässt, ohne Überschreitung des Schwankungsbereiches für den spez. Widerstand von 5% nicht möglich.
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 .
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 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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung hat das Ziel, ein mono- oder quasimonokristallines Silizium-Kristallmaterial für hochohmige optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für hochohmige 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 optischen Bauteile bzw. Funktionsbauteile wie z. B. Linsenblanks, Spiegel, Showerheads erfüllt, welche für den Anwendungsfall auch tatsächlich zwingend sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Blank (Rohling) nach Anspruch 1, durch eine Verwendung nach Anspruch 12 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 17. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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. Showerheads im Sinne der vorliegenden Anmeldung, wie sie z. B. in Plasmaätzanlagen Verwendung finden, werden synonym oft auch als Elektrodenplatten oder Shower Head Elektroden oder Gas Distribution Plates bezeichnet.
Das erfindungsgemäße mono- oder quasimonokristalline Silizium-Kristallmaterial für hochohmige optischen Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für hochohmige Funktionsbauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung 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 Bauteil unbedingt notwendigen Eigenschaften eingehalten werden. Es wurde überraschenderweise herausgefunden, dass bestimmte Defekte bzw. der Grad ihrer Ausprägung, die in für Halbleiterwafer verwendbarem Silizium-Material nicht oder nicht in dem Maße auftreten dürfen, die Funktionstüchtigkeit von optischen Bauteilen oder auch von Funktionsbauteilen zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigen. Für Bauteile 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.
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) oder die Polierbarkeit von Blanks zur Verwendung für optische Bauteile oder auch für Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung unter Betriebsbedingungen grob zu bewerten. Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen (optisch unkritisch) lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustern (optisch kritisch, wenn die Verkippung der Subkörner mehr als 20° erreicht und 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 optischen Qualität, 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.
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.
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 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.
Ein bekanntes keimbasiertes Verfahren der gerichteten Erstarrung von Silizium zur Herstellung von quasimonokristallinen Si-Ingots für die Photovoltaikindustrie wird entsprechend vorliegender Erfindung abgewandelt, insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit der gezielten Einstellung der Konzentration an freien Ladungsträgern auf einem bestimmten Niveau kleiner als 5·10¹⁵/cm³, und um ein Zuteilungs- und Bewertungsverfahren derart ergänzt, dass ein Volumenanteil des entstehenden Ingots definiert und bewertet wird, so dass dieser sowohl für die Herstellung hochohmiger monokristalliner optischer Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich als auch von hochohmigen monokristallinen Funktionsbauteilen zur Verwendung in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern Verwendung finden kann.
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).
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 größer 5 Ωcm aufweist.

Dieser Ablauf besteht aus weiteren Detailschritten:
Es wird der Tiegelboden eines Schmelztiegels mit einem oder mehreren mono- oder quasimonokristallinen Silizium-Keimen belegt. Weiteres Befüllen des Tiegels nur mit Silizium Rohstoff und ggf. Zugabe von Dotierstoff, um den gewünschten spezifischen elektrischen Widerstand größer als 5 Ωcm und den erforderlichen Leitungstyp (überwiegend p-dotiert) einzustellen. Zur gerichteten Erstarrung wird der befüllte Tiegel in einer technisch modifizierten Anlage zur gerichteten Erstarrung von Silizium platziert, insbesondere einer VGF-Anlage. Anschließend erfolgt ein Aufschmelzen des Si-Rohstoffes, Anschmelzen des Keims oder der Keime ohne Tastung der Phasengrenze, gefolgt von einer gerichteten Erstarrung des flüssigen Siliziums zur Ausbildung eines Ingots.
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 hochohmige optische Bauteile oder Blanks zur Verwendung für hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für 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.
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.
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, enthalt 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).
Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren weisen die in den Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung p-dotierter quasimonokristalliner Solarzellen verwendeten Keime einen im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen hochohmigen mono- bzw. quasimonokristallinen Siliziummaterial (spezifischer elektrischer Widerstand größer 5 Ωcm) vergleichsweise sehr hohen Widerstand (typisch 1 Ωcm bis 3 Ωcm bei B-Dotierung) auf. Im Gegensatz dazu müssen für die Herstellung von hochohmigen Si-Kristallen nach der vorliegenden Erfindung Keime verwendet werden, die einen niedrigeren, ja sogar deutlich niedrigeren Dotierungsgehalt aufweisen oder gar nicht dotiert sind. D. h. diese Keime weisen einen höheren bzw. sehr viel höheren Widerstand als im Stand der Technik auf.
Auch wird bei dem Verfahren nach Stand der Technik dem über dem(n) Keim(en) angeordneten Silizium-Rohstoff zusätzlich eine höhere bzw. viel höhere Menge an Dotierstoff Bor als in der vorliegenden Erfindung zugegeben. Diese höhere Dotierung ist für die Einstellung des spezifischen elektrischen Widerstands von in der Photovoltaik gebräuchlicher Ingots im Bereich von 1 Ωcm bis 3 Ωcm verantwortlich.
FIGURENÜBERSICHT
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:
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. die Verwendung der in der Figur angegebenen hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung;
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. die Verwendung der in der Figur angegebenen hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung;
3 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. hochohmige optische Bauteile oder hochohmige Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung;
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);
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);
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;
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;
7 eine μPCD-Aufnahme einer VGF-monokristallinen Prüfoberfläche aus dem Bereich A eines Ingots.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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 hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung. Es können quadratische Tiegel der Größe G4 (720 mm × 720 mm), G5 (880 mm × 880 mm), G6 (1050 mm × 1050 mm) 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.
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.
Für die Herstellung von hochohmigen optischen Bauteilen oder hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung ist die Orientierung der Keime von eher untergeordneter Bedeutung. Die in der Photovoltaik erwünschte (100)-Orientierung der Keime ist für die Herstellung von hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung zwar nicht zwingend, aber aus züchtungstechnischen Überlegungen heraus die bevorzugte Keimorientierung. Je nach Zielstellung kann jedoch auch basierend auf (111)-, (110)-, (211)- oder noch anders orientierten Keimen gezüchtet werden.
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.
Wichtig ist für alle Arten der Keimgewinnung, dass bereits der Keim eine hohe Reinheit und geringe bis gar keine Dotierung aufweist. Bei Kenntnis der Keimqualität wird die Zugabemenge an Dotierstoff zum reinen Si-Rohstoff so gewählt, dass der Zielwert für den spezifischen Widerstand innerhalb des gewünschten Bereiches von größer als 5 Ωcm erreicht wird.
Nach Platzierung der Keime wird also das verbleibende Tiegelvolumen noch mit virgin oder recyceltem Si-Rohstoff (mindestens in der Reinheit Solar Grade) und ggf. 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.
Um in den gewünschten Bereich des spezifischen elektrischen Widerstandes von größer 5 Ωcm zu erhalten, darf die Konzentration an freien Ladungsträgern bzgl. Akzeptoren, gebildet als Differenz der Akzeptorenkonzentration minus der Donatorenkonzentration, eine Konzentration von 2,7·10¹⁵/cm³ bzw. bzgl. Donatoren, gebildet als Differenz der Donatorenkonzentration minus der Akzeptorenkonzentration, eine Konzentration von 9,05·10¹⁴/cm³ nicht überschreiten. Für höhere spezifische elektrische Widerstände sind die zulässigen Konzentrationen entsprechend geringer. Um diese Bedingung erfüllen zu können, sind besondere Maßnahmen notwendig. Dies erreicht man beispielsweise durch eine oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Maßnahmen:

– die Kompensation der eingebrachten Verunreinigungen mit Akzeptoren wie z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder mit Donatoren wie z. B. Phosphor, Arsen, Antimon oder mit Kombinationen verschiedener Akzeptoren und Donatoren je nach Art der Verunreinigung;
– den Einsatz von besonders reinem Tiegelbeschichtungsmaterial als einer Verunreinigungsquelle in Bezug auf Akzeptoren bzw. Donatoren, z. B. Einsatz von Si₃N₄-Tiegelbeschichtungsmaterial mit einem Borgehalt kleiner 5 ppm (bevorzugt kleiner 1 ppm), einem Aluminiumgehalt kleiner 100 ppm (bevorzugt kleiner 20 ppm), einem Phosphorgehalt kleiner 4 ppm (bevorzugt kleiner 0,8 ppm);
– den Einsatz besonders reiner Tiegel als einer weiteren Verunreinigungsquelle in Bezug auf Akzeptoren bzw. Donatoren, z. B. Quarztiegel mit einem Borgehalt kleiner 0,1 ppm (bevorzugt kleiner 0,04 ppm), einem Aluminiumgehalt kleiner 160 ppm (bevorzugt kleiner 15 ppm), einem Phosphorgehalt kleiner 2 ppm (bevorzugt kleiner 0,1 ppm);
– die insitu Beprobung der Schmelze und gezielte Kompensation mit den fehlenden Akzeptoren (z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder Kombinationen von verschiedenen Akzeptoren) oder Donatoren (z. B. Phosphor, Arsen oder Kombinationen verschiedener Donatoren);
– die Wahl eines Züchtungsverlaufes der kurz genug ist, um die Diffusion der Fremdstoffe in die Schmelze sehr viel kleiner als 1 × 10¹⁵/cm³ zu halten;
– die Höhe der schmelzflüssigen Phase während des Prozesses über z. B. eine Nachchargierung so gering zu halten das der Eintrag von Verunreinigungen aus der Beschichtung in die Schmelze sehr viel kleiner als 1 × 10¹⁵/cm³ bleibt;
– dem Einsatz einer Diffusionsbarriere für Akzeptoren bzw. Donatoren aus sehr reinem Material zwischen Tiegel und Schmelze nach dem Prinzip der DE 10 2012 100 147 A1 , deren Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme mit beinhaltet sei;
– dem Einsatz einer kalten Tiegelwand zur Erzeugung eines Eigenmaterialtiegels wie es das Skull Melting Verfahren bzw. Electromagnetic Casting Verfahren verwendet;
– dem Einsatz hochreiner Tiegel aus SiC oder Si₃N₄ die eine Beschichtung mit Materialien die als Verunreinigungsquelle dienen können unnötig macht

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.
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.
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.
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.

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 hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung 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. Die Fotografie eines derartigen Horizontalschnittes zeigt die 3, welche weiter unten konkret erläutert wird.
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 hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung (∅ 600 mm × 10 mm bzw. ∅ 540 mm × 10 mm bzw. ∅ 300 mm × 6 mm bzw. ∅ 250 mm × 10 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.
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 cm und 10 cm betragen kann, konkret definiert ist, erfolgt
b) das Absägen der vier Seitenflächen bzw. einer Mantelschicht.

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.
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. hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung oder anderer Blanks besitzen.
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.
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).
Die 3 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. Die in 3 eingezeichnete Probe ist repräsentativ für verschiedenen Probengeometrien und Probenpositionen. Diese kann für die o. g. Widerstandsmessungen, Transmissionsmessungen, FTIR-Messungen oder zur Verunreinigungsbestimmung (AAS, GDMS, ICP-MS, ...) verwendet werden.
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.
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 ersten 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).
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.
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.
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.
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. 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. Diese kleinen nicht detektierbaren und die größeren detektierbaren Fremdkörner, Zwillingsgrenzen bzw. Bereiche größerer Verkippung befinden sich immer in einer monokristallinen Matrix. Monokristalline Matrix ist definiert als ein monokristalliner Bereich, der ein Fremdkorn allumfänglich einbettet.
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.
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 F3-Korngrenze.
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.
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-Silizium-Material fertigbaren Produkten, wie Elektrodenplatten (auch als Showerhead oder Electrode Plate bezeichnet oder Gas Distribution Plate bezeichnet) in Plasmaätzanlagen oder Platten zur Verteilung von Gasen in CVD-Anlagen (Chemical Vapour Deposition) und anderen in der Halbleiterindustrie zur Prozessierung von Halbleitern oder Halbleiterbauelementen 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.
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.
Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen (optisch unkritisch) lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustern (optisch kritisch und 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.
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.
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.
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.
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. Nachfolgende Beschreibung des prinzipiellen Vorgehens basiert auf der μPCD-Methode.
Die 4a und 4c zeigen jeweils PL-Aufnahmen und die 4b und 4d zeigen jeweils das μ-PCD-Mapping einer jeweils sägerauen Waferoberfläche von monokristallin-versetzungsfreiem 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.
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.
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.
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.
Die 7 zeigt ein Flächenelement (Prüfoberfläche) eines größeren Blanks als μ-PCD-Flächenbild eine Teilfläche eines IR-Blanks (Blanks zur Verwendung für optische Bauteile im IR-Spektralbereich im Sinne der vorliegenden Anmeldung), welches aus dem VGF-monokristallinem Bereich A eines Ingots gefertigt wurde.
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.
In der DE 10 2011 056 404 , 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.
Konkret wird für ein Pixel der Prüfoberfläche mittels vorgenannten rasternden oder bildgebenden Messtechniken (bei hochohmigem 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.
Entsprechend dem in [0059] bis [0062] der in Bezug genommenen DE 10 2011 056 404 beschriebenen Vorgehen wird der Clustergehalt in % wie folgt bestimmt:
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.
Je geringer der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Bereich ist, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von kleinsten, optisch auffallenden Körnern oder Subkörnern abweichender kristallographischer Orientierung.
Hochohmiges monokristallines VGF-Silizium-Material für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μm bis 10 μm, bevorzugter im Bereich 1,4 μm bis 8 μm, besonders bevorzugter Bereich 2 μm bis 5 μm, oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie z. B. 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.
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.
Je nach Anwendungsfall ist unterschiedliches Materialverhalten unter Einsatzbedingungen zu beobachten und deshalb Material einer bestimmten Klasse auszuwählen.
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

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
Unabhängig ob ein nach vorliegender Erfindung bewertetes hochohmiges 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 hochohmiges multikristallines Material.
Für die Halbleiterfertigung geeignetes hochohmiges monokristallines Silizium-Material aus dem CZ- oder FZ-Verfahren ist dem hochohmigen Silizium-Material nach der vorliegender Erfindung hinsichtlich seiner Einsatzcharakteristika nur noch schwach überlegen.
Ausführungsbeispiel 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, kristalliner Siliziumrohstoff mit einer Gesamteinwaage von 450 kg. 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.
Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt.
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.
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.
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.
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.
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.
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 hochohmigen optischen Bauteilen oder von hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung geeignet sind, eingruppiert werden. Solche hochohmigen optischen Bauteile oder hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung sind beispielsweise Blanks für optische Bauteile (Linsen, Spiegel) oder für Showerheads oder andere Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung. Abmaße solcher Blanks sind z. B. ∅ 600 mm × 10 mm bzw. ∅ 540 mm × 10 mm bzw. ∅ 300 mm × 6 mm bzw. ∅ 250 mm × 10 mm. 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 PL) untersucht und in die Klassen C1 bis C5 eingeteilt.
Falls nötig wird aus dem monokristallinen 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 größer als 5 Ωcm liegt.
Entsprechend den Anforderungen an das Blank und anhand des gemessenen spezifischen Widerstandes, der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1–FK5, Z1–Z5 und C1–C5) geeigneten Bereiches des monokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in 3) 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.
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.
Ausführungsbeispiel 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, kristalliner Siliziumrohstoff mit einer Gesamteinwaage von 700 kg. 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 polykristalliner Siliziumrohstoff gefüllt. Der Si-Rohstoff besitzt mindestens 7 N-Reinheit. Um den geforderten Gehalt von maximal 2,5·10¹⁵/cm³ für Donatoren nicht zu unterschreiten und trotzdem n-leitendes Material zu erhalten, muss die Menge an, durch Verschmutzung eingebrachte Akzeptoren in Höhe von 1·10¹⁵/cm³ durch die Zugabe von 38 mg Phosphor auf 700 kg Si kompensiert werden.
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.
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 kristalline 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.
Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt.
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.
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.
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 für Anlagen für die Halbleiterprozessierung (insbesondere zur Herstellung von sog. Showerheads) herauszuschneiden.
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.
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 hochohmigen optischen Bauteilen oder von hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung geeignet sind, eingruppiert werden. Solche hochohmigen optischen Bauteile oder hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung sind beispielsweise Blanks für runde bzw. hochohmige optischen Bauteile (z. B. Spiegel, Linsen) oder hochohmige Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung (insbesondere Showerheads) der Abmaße ∅ 600 mm × 10 mm bzw. ∅ 540 mm × 10 mm bzw. ∅ 300 mm × 6 mm bzw. ∅ 250 mm × 10 mm.
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 PL) untersucht und in die Klassen C1 bis C5 eingeteilt.
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 größer als 5 Ωcm liegt.
Entsprechend den Anforderungen an das Blank und anhand des gemessenen spezifischen Widerstandes, der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1–FK5, Z1–Z5 und C1–C5) geeigneten Bereiches des monokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in 3) 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.
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.
Das mono- oder quasimonokristalline Si-Material, das in der geometrischen Form eines Blanks wie vorstehend beschrieben gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und charakterisiert wird, ist insbesondere für

a) als Blank für optische Bauteile oder Bauelemente für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μm bis 10 μm, bevorzugter im Bereich 1,4 μm bis 8 μm, besonders bevorzugter Bereich 2 μm bis 5 μm. Derartige Bauteile oder Bauelemente können sein: Abbildende Bauelemente, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Prismen oder Scheiben, die weiterhin auch mit reflektierenden oder diffraktiven Strukturen oder Beschichtungen versehen sein können.
b) als Blank für Bauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist eine Elektrodenplatte (auch als Showerhead oder Electrode Plate oder Gas Distribution Plate bezeichnet), wie sie in der Halbleiterprozessierung beispielsweise zur Verteilung von Gasen in Plasmaätzanlagen, Plasmareinigungsanlagen oder in CVD-Anlagen(Chemical Vapour Deposition) verwendet wird, wie beispielsweise in der US 2005/0173569 A1 oder US 2001/0076401 A1 offenbart, deren gesamter Inhalt diesbezüglich hiermit im Wege der Bezugnahme mit aufgenommen sei.

Zusammenfassend wird somit ein Blank, wie vorstehend beschrieben, ein Verfahren zu dessen Herstellung, wie vorstehend beschrieben, sowie dessen Verwendung für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μm bis 10 μm, bevorzugter im Bereich 1,4 μm bis 8 μm, besonders bevorzugter Bereich 2 μm bis 5 μm und für Bauteile in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern, wie vorstehend beschrieben, offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 112009004379 T5 [0009]
US 2001/0243162 A1 [0009]
US 2012/0176668 [0010]
JP 2000-144457 [0012, 0014, 0016]
JP 2007-158007 [0015, 0015, 0016]
EP 2028292 [0018, 0018]
WO 2007/084934 [0018, 0018]
WO 2009/014957 [0018, 0018]
DE 102012100147 A1 [0052]
DE 102011056404 [0097, 0099]
US 2005/0173569 A1 [0137]
US 2001/0076401 A1 [0137]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Nakajima et al., J. Cryst. Growth 372(2013) 121–128 [0029]

Claims

Blank aus mono- oder quasimonokristallinem Silizium-Material zur Verwendung für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads, 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 spezifischen Widerstandes von größer als 5 Ωcm aufweist.
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 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 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite Fremdkörner einer Größe kleiner 50 mm² aufweist.
Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Fremdkörnern einer Größe kleiner 50 mm² aufweist
Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite Zwillingsgrenzen aufweist.
Blank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Zwillingsgrenzen aufweist.
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 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 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 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.
Verwendung des Blanks nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Herstellung von Funktionsbauteilen in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere von Showerheads.
Verwendung des Blanks nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μm bis 10 μm, bevorzugter im Bereich 1,4 μm bis 8 μm, bevorzugt als Linsenblanks oder Spiegel.
Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, 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 größer als 5 Ωcm aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Blank auf seiner größten Ober- oder Unterseite einen definierten Flächenanteil aufweist, der von Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei keine intensive lokale Häufung von Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen auf der Ober- oder Unterseite des Blanks besteht.
Verfahren zur Herstellung von Blanks nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aus mono- oder quasimonokristallinem Silizium-Material für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads,, mit den folgenden Verfahrens schritten: – 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 größer als 5 Ωcm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, 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.
Verfahren nach Anspruch 19, 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.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei ein Gehalt an Versetzungsclustern in % wie folgt bestimmt wird:
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.