DE102013211769A1

DE102013211769A1 - Kristallisationsanlage und Kristallisationsverfahren zur Kristallisation aus elektrisch leitenden Schmelzen sowie über das Verfahren erhältliche Ingots

Info

Publication number: DE102013211769A1
Application number: DE102013211769.8A
Authority: DE
Inventors: Natascha Dropka; Christiane Frank-Rotsch; Ralph-Peter Lange; Petra Krause
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2014-12-24
Also published as: WO2014202284A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kristallisationsanlage zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen, umfassend: i. mindestens einen Tiegel (10) zur Aufnahme der Schmelze; ii. ein Heizer-Magnet-Modul (20), mit ein oder mehreren Spulen (21) und dazugehörigen elektrischen Zuleitungen (200), wobei jedem Tiegel ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet ist; und iii. eine Steuer- und Stromversorgungseinheit für das Heizer-Magnet-Modul (20). Das dem jeweiligen Tiegel zugeordnete Heizer-Magnet-Modul (20) ist derart angeordnet und elektrisch angesteuert ist, dass ein Lorentzkraftdichtefeld (40) erzeugbar ist, welches derart gerichtet ist, dass die resultierende Kraftwirkung, relativ zu einer geometrischen Mittelachse (50) des Tiegels (10), entgegen der Wachstumsrichtung nach außen oder parallel wirkt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung bildet ein Verfahren unter Verwendung erfindungsgemäßer Kristallisationsanlage, sowie einen Ingot, der mittels Verfahren und/oder Kristallisationsanlage herstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kristallisationsanlage zur Herstellung von Ingots durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen, ein Verfahren zur Kristallzüchtung mittels vorgenannter Kristallisationsanlage, sowie nach dem Verfahren hergestellte oder herstellbare Ingots mit homgenen Eigenschaften.
Technologischer Hintergrund
Die gegenwärtige Entwicklung in der Kristallzüchtung strebt vor allem eine Steigerung der Produktivität bei der Kristallisation aus Schmelze an. Hierbei wird auch der Ansatz der simultanen Kristallisation in mehreren Tiegeln verfolgt ( DE 10 2007 026 298 A1 ). Neben der Steigerung der Produktivität liegt in der Verbesserung der Materialeigenschaften ein weiterer Schwerpunkt der Verfahrensentwicklung von kristallinen Materialien, bei den Eigenschaften liegt der Augenmerk auf der Homogenität und Perfektion der Materialien.
In DE 10 2009 045 680 A1 wird speziell für die Kristallisation von PV Silizium in rechteckigen Containern eine Heizer-Magnet-Modulanordnung (HMM) offenbart, die einen rechteckigen, konzentrischen Deckenheizer für die Erzeugung von Lorentzkraftdichten mit einbezieht. Es wird eine Kombination von seitlichem Heizer-Magnet-Modul und Deckenheizer dargestellt. Die zu erwartende Lorentzkraftdichte in dieser Anordnung ist analog eines seitlich angeordnetem Heizer-Magnet-Moduls nach innen zum gedachten Mittelpunkt gerichtet. Die direkt horizontal über die Spulenwindungen geführten elektrischen Zuleitungen des Deckenheizers würden ein in diesem Bereich erzeugtes magnetisches Wanderfeld komplett auslöschen, so dass der Deckenheizer für eine gezielte Erzeugung von Lorentzkraftdichteverteilungen in elektrisch leitenden Schmelzen ungeeignet ist.
Mittels der in DE 10 2007 026 298 A1 beschriebenen Anordnung für die simultane Kristallzüchtung in mehreren Tiegeln ist es nicht möglich, ein symmetrisches Lorentzkraftfeld in elektrisch leitenden Schmelzen zu erzeugen.
DE 10 2008 027 359 B4 beschreibt eine Möglichkeit der Änderung der Magnetfeldrichtung und Stärke bei Verwendung eines seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Moduls. Dort wird offenbart, dass es mittels einer solchen Anordnung möglich ist eine bessere Durchmischung der Schmelze durch Erhöhung von Geschwindigkeiten unter Einfluss eines zeitlich veränderlichen TMF zu erzielen.
In DE 10 2007 028 548 B4 wird eine Kombination von seitlichem Heizer-Magnet-Modul mit einer Heizer-Magnet-Modul in Bodenheizerausführung vorgestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung nach Czochralski.
All den genannten Verfahren ist der allgemeine Aufbau in 1 gemeinsam. Es resultieren die eingezeichneten Lorentzkraftdichten. Mit diesen Verfahren können Kristalle guter Qualität erzeugt werden. Allerdings kommt es im Randbereich zu einer ungünstigen Wirkung des Magnetfeldes auf die fest/flüssig-Phasengrenze bei der Kristallzüchtung. Der in 1 angedeutete konkave Verlauf der Phasengrenze im Randbereich kann zu polykristallinen Strukturen im Randbereich von Einkristallen bzw. zu Ingots mit besonders kleiner Kornstruktur führen.
Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein. Monokristalline Ingots können durch unterschiedliche Kristallzuchtverfahren hergestellt werden. In der Regel erfolgt die Züchtung aus der Schmelze, wobei üblicherweise das Czochralski-Verfahren bei Silicium und auch anderen Halbleitermaterialien eingesetzt wird. Polykristalline Ingots (auch als multikristalline Ingots bezeichnet) werden hauptsächlich als Si-Ingots in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen und in der Mikromechanik verwendet. Wenn im Zuge der Anmeldung fallweise von Kristall oder Einkristall die Rede ist, so ist hiermit ein monokristalliner Ingot gemeint.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und geeignete Anordnungen bereitzustellen, um die Kristallqualität, insbesondere die Homogenität, weiter zu erhöhen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen gelöst oder zumindest gemindert. Die Kristallisationsanlage umfasst dazu:

i. mindestens einen Tiegel zur Aufnahme der Schmelze;
ii. ein Heizer-Magnet-Modul, mit ein oder mehreren Spulen und dazugehörigen elektrischen Zuleitungen, wobei jedem Tiegel ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet ist; und
iii. eine Steuer- und Stromversorgungseinheit für das Heizer-Magnet-Modul.

Das dem jeweiligen Tiegel zugeordnete Heizer-Magnet-Modul (HMM) wird derart angeordnet und elektrisch angesteuert, dass ein Lorentzkraftdichtefeld erzeugbar ist, welches derart gerichtet ist, dass die resultierende Kraftwirkung, relativ zu einer geometrischen Mittelachse des Tiegels, entgegen der Wachstumsrichtung nach außen oder parallel wirkt.
Die erfindungsgemäße Kristallisationsanlage weist demnach ein oder mehrere Tiegel auf. Jedem Tiegel ist ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet. Das Heizer-Magnet-Modul ist oberhalb angeordnet und zwar derart, dass es mittig oder weitgehend mittig zur geometrischen Mittelachse des Tiegels ausgerichtet ist (Nachfolgend auch als Decken-Heizer-Magnet-Modul (DHHM) bezeichnet). Die Heizer-Magnet-Module werden in an sich bekannter Weise durch Vorgabe von Amplitude, Phasenwinkel etc. zur Erzeugung eines Wandermagnetfeldes in der Schmelze angesteuert. Dabei wird ein das Magnetfeld in der Schmelze so beeinflusst, dass sich eine parallel zur geometrischen Mittelachte verlaufende Strömung in der Schmelze einstellt, die auf die Kristallisationsfront gerichtet ist. Alternativ wird eine von innen nach außen und dabei in Richtung der Kristallisationsfront gerichtete Strömung in der Schmelze erzeugt. Gemäß letzterer Variante verläuft also die resultierende Kraftwirkung des Lorentzfeldes in einem Winkel zur geometrischen Mittelachse des Tiegels. Mit der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage kann insbesondere die Krümmung einer fest/flüssig-Phasengrenze verringert und auf diese Weise die Homogenität des Erstarrungsprozesses über das gesamte Tiegelvolumen verbessert werden.
Die Erfindung stellt somit eine neue Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von bevorzugt Halbleiterkristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen in Tiegelanordnungen nach dem vertikalen Gradient Verfahren (VGF) als die bevorzugte Methode zur Verfügung. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Lorentzkräften die von jedem gedachten Punkt der Schmelze nach unten und radial nach außen gerichtet sind und damit gleichzeitig die Schmelze durchmischen und eine konvex gekrümmte fest/flüssig-Phasengrenze ohne Wendepunkte erzeugen können. Die Lorentzkräfte werden mittels eines oberhalb des Tiegels angeordnetem Heizer-Magnet-Moduls (Decken-Heizer-Magnet-Moduls (DHMM)) analog dem sogenannten KristMAG-Verfahren erzeugt. Die Spulen des Decken-Heizer-Magnet-Moduls werden bevorzugt mit Wechselstrom mit einem Phasenwinkel gespeist, wobei der Phasenwinkel zwischen den Spulen von der Mitte zunehmen kann, aber variabel ist. Eine Ausrichtung der Lorentzkräfte in der gezeigten Richtung zum Tiegelrand ist bisher nicht beschrieben worden und ermöglicht völlig neuartige Einflussmöglichkeiten auf die Form der fest/flüssig-Phasengrenze bei der Kristallisation. Bei Verwendung von seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Modulen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind [z. B. Ch. Frank-Rotsch, U. Juda, B. Ubbenjans, P. Rudolph: "VGF growth of 4 in. Ga-doped germanium crystals under magnetic and ultrasonic fields" Journal of Crystal Growth 352 (2012) 16–20], sind grundsätzlich nur Lorentzkraftdichten in der Schmelze induzierbar, die eine Neigung vom Tiegelrand zur gedachten Mittellinie des Tiegels aufweisen. Es sind unter Anwendung dieser Anordnung auch konvexe Phasengrenzen einstellbar, es bleibt aber stets ein unerwünschter konkaver Anteil der Phasengrenzform in der Nähe des Tiegelrandes. Dieser konkave Anteil kann beim Einkristallwachstum polykristalline Strukturen auslösen. Die neue Anordnung kann auch für Kristallisationsanlagen nach der Bridgman- oder DS-Methode angewendet werden, wobei dann der äußere Rand des Decken-Heizer-Moduls vorzugsweise der äußeren Tiegelrandform folgt. Auch bei der Kristallisation von multikristallinem Material, wie z. B. PV-Silizium, ist die Vermeidung von W-förmig geformten fest/flüssig-Phasengrenze positiv für die Ausbeute an höher qualitativen Material, da das vom Tiegelrand beginnende Einwachsen von sehr kleinen Körnern dann reduziert werden kann.
Um zu gewährleisten, dass das resultierende Lorentzkraftfeld berechenbar und dadurch beeinflussbar ist, bilden nach einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Stromzuführungen zum Heizer-Magnet-Modul einen Winkel, der sicherstellt, dass das durch die Stromzuführungen induzierte Magnetfeld das Magnetfeld des Heizer-Magnet-Moduls nicht beeinflusst. Mit anderen Worten ist eine Kristallisationsanlage mit erfindungsgemäßem Heizer-Magnet-Modul bevorzugt, deren elektrischen Zuleitungen parallel zur Mittelachse des Tiegels angeordnet sind. Bei der beschriebenen neuartigen Kristallisationsanlage sind also die Stromzuführungen so angeordnet, dass sie nahe der Heizerwindung (Spulen) senkrecht verlaufen und erst im größtmöglichen Abstand radial geführt werden. Dadurch wird das erzeugte Magnetfeld im (Decken-)Heizer-Magnet-Modul nicht ausgelöscht und die Homogenität der Lorentzkraftdichteverteilung in der Schmelze bleibt bestehen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die äußere Form des erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls konzentrisch ist. Infolge dessen ist bevorzugt, aber nicht zwingend notwendig, dass auch die innere Tiegelform einem Kreis folgt. Der sich ergebende Vorteil ist, dass das resultierende Lorentzkraftfeld und infolge dessen das Strömungsfeld in der Schmelze mit einer weniger aufwendigen und damit weniger fehleranfälligen Steuerung hoch symmetrisch eingestellt werden kann und eine minimale Dichte an Störungsstellen aufweist. Mit anderen Worten, die eine oder zusammengelegt mehreren Spulen eines Heizer-Magnet-Moduls bilden bevorzugter Weise einen Kreis oder eine Spirale. Dabei sind Ausführungen möglich, bei denen das Heizer-Magnet-Modul, insbesondere das Decken-Heizer-Magnet-Modul, aus einer beliebigen Zahl von Spulen besteht. Hierbei sind verschiedene Bauformen der Anordnung möglich.
Gemäß einer Ausführungsform bilden die Spulen des Heizer-Magnet-Moduls demnach eine Spirale, deren Spiralwindung in zwei oder mehr elektrisch voneinander isolierte Spulen aufgeteilt ist (vorzugsweise 2 bis 4 Spulen). Die Spirale kann insbesondere die Form einer Archimedes-Spirale (äquivalenter Windungsabstand), logarithmischen Spirale oder Federformspirale einnehmen.
Kreisförmige Ausführungsformen des Heizer-Magnet-Moduls können beispielsweise durch zwei oder mehr Spulen erhalten werden, die ringförmig um den Mittepunkt des Heizer-Magnet-Moduls angeordnet sind. Die ringförmigen Spulen können dabei jeweils mehrere um den Mittelpunkt laufende Windungen umfassen, wobei ein Übergang zwischen den einzelnen Windungen einer Spule vorzugsweise stufenartig erfolgt, um weitgehend konzentrisch aufgebaute Spulenwindungen zu erhalten.
Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Heizer-Magnet-Module besteht darin, Spulen unterschiedlicher Windungshöhe oder mit einem unterschiedlichen Windungsquerschnitt einzusetzen. Ferner können die Spulen mit unterschiedlichem Abstand zur Kristallisationsfront angeordnet werden; die Spulen sind dann nicht in einer gemeinsamen Ebene des Heizer-Magnet-Moduls angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist auch innerhalb einer einzigen Spule eine Variation der Windungshöhe, des Windungsquerschnitts oder Abstands zur Kristallisationsfront denkbar. Die Variation der Lorentzkräfte sowie der Wärmeverteilung mit einem Heizer-Magnet-Modul, das nur eine einzige Spule umfasst, ist dabei besonders bevorzugt, da die Stromzuführung wesentlich vereinfacht wird
Die genannten Ausführungsbeispiele stellen mögliche Anordnungen dar, welche nur beispielhaften Charakter haben und auch miteinander kombinierbar sind.
Die Kristallisationsanlage weist vorzugsweise zwei oder mehr Tiegel auf (Mehrtiegelanordnung). Jedem Tiegel ist ein Heizer-Magnet-Modul der zuvor beschriebenen Ausgestaltung zugeordnet. Die Anzahl der Tiegel kann beliebig gewählt werden. Die Heizer-Magnet-Module induzieren in jedem Tiegel ein gleiches oder weitgehend gleiches Lorentzkraftfeld. Es ist also eine simultane Züchtung von Kristallen sehr hoher Ähnlichkeit und Qualität möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Kristallzüchtung aus elektrisch leitenden Schmelzen, welches folgende (aufeinander folgende) Schritte umfasst:

i. Bereitstellen einer Kristallisationsanlage der zuvor beschriebenen Ausgestaltung;
ii. Beschicken des mindestens einen Tiegels mit dem zu verarbeitendem Material und Schmelzen des Materials, vorzugsweise unter Nutzung des zugeordneten Heizer-Magnet-Moduls;
iii. Einleiten der Kristallisation ausgehend vom Boden des Tiegels; und
iv. Erzeugen eines zeitlich abhängigen Magnetfeldes in der Art, dass ein entgegen der Wachstumsrichtung eines zu züchtenden Kristalls nach außen zu einem Rand des Tiegels oder parallel zu dem Tiegelrand gerichtetes Lorentzfeld resultiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Darstellung von Kristallen mit hoher Homogenität in Bezug auf die Kristallqualität, insbesondere eine homogene niedrige Versetzungsdichte in Einkristallen.
Um Kristalle hoher Homogenität zu erhalten, wird bevorzugt ein Lorentzkraftfeld induziert, welches zentrosymmetrisch ist, in dem also die resultierenden Lorentzkräfte zentrosymmetrisch wirken. Dies führt zu einer gleichmäßigen, konvexen Krümmung der fest/flüssig-Phasengrenze sowie einer homogen Verteilung der Temperatur in der Schmelze. Beide Effekte beeinflussen die Kristallqualität, insbesondere die Homogenität der gezüchteten Kristalle positiv.
Zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Lorentzkraftfeldes sind verschiedene Steuergrößen zu beachten, auf die nachfolgend näher eingegangen wird:
Die Decken-Heizer-Magnet-Module der Kristallisationsanlage können mittels vorgegebener Stromamplituden betrieben werden. Denkbar ist auch, den angelegten Wechselstrom für die Erzeugung der Lorentzkraftdichten in der Schmelze zu modulieren, zum Beispiel in Form einer sinusförmigen Modulation. Die Modulation kann eine Variation der Amplituden des Wechselstroms, der Amplituden der Modulation selbst, sowie der Perioden der Modulation beinhalten. Die zeitliche Modulation der Stromstärke kann dabei mit unterschiedlichen Parametern erfolgen. Durch die Modulation können besonders symmetrische Temperatur- und Magnetfeldverteilungen in den verwendeten Tiegel erzeugt werden, denn geringfügig vorhandene Asymmetrien im erzeugten Magnetfeld werden gemittelt.
Weiterhin ist die Geometrie und relative Lage der einzelnen Spulen in dem Heizer-Magnet-Modul zu beachten. Die Spulen werden dabei in der Regel derart sequentiell angesteuert, dass sie ein zeitabhängiges magnetisches Wanderfeld in der Schmelze erzeugen. Die Frequenz beeinflusst signifikant die Eindringtiefe und -stärke der Lorentzkräfte dadurch wird die Richtung der Lorentzkräfte beeinflusst Bei der Verwendung von hohen Frequenzen nimmt die Eindringtiefe ab und die Intensität der Lorentzkräfte und der Neigungswinkel der Lorentzkraft zur Windungsoberfläche nehmen zu. Die Wahl der Frequenz hängt weiterhin von der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze ab und damit auch von der gewünschten Eindringtiefe. Die Phasenverschiebung beeinflusst die Lorentzkraftintensität nur relativ schwach (schwach bei kleinen Frequenzen, aber der Einfluss der Phasenverschiebung verstärkt sich bei größeren Frequenzen). Der Einfluss der Phasenverschiebung auf die Richtung der Lorentzkräfte ist jedoch signifikant. Mit steigender Phasenverschiebung nimmt die Intensität ab, wobei das Optimum von der Frequenz abhängt. In der Regel sollte die Phasenverschiebung derart vorgegeben werden, dass die resultierende Lorentzkraft mit einer Neigung weg von der zentralen vertikalen Achse der Schmelze oder senkrecht zum Containerboden beziehungsweise der Kristallisationsfront steht. Durch entsprechende Vorgaben der Phasenverschiebung beziehungsweise Ausrichtung der Lorentzkraft kann die Laufrichtung der erzeugten magnetischen Wanderfelder beeinflusst werden. Die Stromamplitude bestimmt unmittelbar die Lorentzkraftintensität; mit steigender Amplitude nimmt die Lorentzkraft stark zu. Die Lorentzkraft sollte höher liegen als die Auftriebskraft in der Schmelze.
Insbesondere in der Photovoltaik oder auch in der allgemeinen Halbleiterindustrie werden Kristalle sehr hoher Perfektion benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Halbleitermaterialien (Arsenide, Silizium, Germanium etc.), als auch andere elektrisch leitende Materialien, wie beispielsweise Metallschmelze oder Oxide, anwendbar.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage führt das beschriebene Verfahren zu monokristallinen Ingots, die einen weiteren Aspekt der Erfindung darstellen.
Erfindungsgemäß herstellbare oder hergestellte monokristalline Ingots lassen sich unter anderem von bekannten monokristallinen Ingots wie folgt unterscheiden. Diese Ingots weisen auf:

i. einen Kernbereich, konstruiert aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper, dessen Grundfläche G_K sieben Zehntel der Grundfläche G_I des Kristalls entspricht, mit einer Ätzgrubendichte EPD(K); und
ii. einen Randbereich, konstruiert aus dem gemäß i. verbleibendem Hohlkörper, dessen Grundfläche G_R drei Zehntel der Grundfläche G_K des Ingots entspricht, mit einer Ätzgrubendichte EPD(R).

Die erfindungsgemäßen Ingots zeichnen sich dadurch aus, das gilt: EPD(R) ≤ 1 3 / 4EPD(K).
Das heißt, der Randbereich ist so definiert, dass er an jeder Schnittfläche senkrecht zur Mittelachse des Ingots einem Fünftel der Gesamtfläche der Schnittfläche entspricht und stets den größtmöglichen Abstand von der Mittelachse aufweist.
Durch die Ausrichtung der Lorentzkräfte in Richtung zum Tiegelrand, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren resultieren, lassen sich Phasengrenzen erzielen, die keinen Wendepunkt nahe dem Kristallrand aufweisen. Dadurch lassen sich deutlich verbesserten Kristalleigenschaften erzielen; diese sind beispielsweise durch den radialen Verlauf der Versetzungsdichte ρ gekennzeichnet. Die Versetzungsdichte wird durch die zweidimensional experimentell bestimmbare Ätzgrubendichte (EPD) quantifiziert. Unter der Versetzungsdichte ρ versteht man die Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumeneinheit in einem kristallinen Festkörper. Eine bekannte Möglichkeit zur Sichtbarmachung von Versetzungen und Bestimmung ihrer Dichte besteht darin, die betreffenden Kristalle an einer Oberfläche zu ätzen. Es entstehen so genannte Ätzgrübchen, deren Dichte in einem Lichtmikroskop (z. B. entsprechend DIN-Vorgaben) gezählt werden kann. Die sich dabei ergebende etch pit density, engl. Ätzgrubendichte, kurz EPD, ist vor allem in der Halbleiterindustrie ein Maß für die Qualität von Halbleiter-Wafern.
Vorliegend wird die EPD radial, also entlang einer Linie vom Kristallmittelmittelpunkt zum Kristallrand bestimmt. Diese Linie verläuft dabei entlang einer Halbschale auf einer Schnittebene quer zur Wachstumsrichtung des Kristalls. Im Gegensatz zu herkömmlich nach dem VGF-Verfahren gezüchteten Kristallen ist der radiale EPD-Verlauf in erfindungsgemäßen Ingots nicht W-förmig, das heißt, der Verlauf nimmt nicht von der Mitte zum Rand ab um dann im äußeren Randbereich erneut stark anzusteigen. Im Vergleich zu herkömmlich kristallisierten Ingots resultiert der Verlauf der EPD der erfindungsgemäßen monokristallinen Ingots in einer nahezu ebenen, leicht konvexen Phasengrenzform ohne Wendepunkte in Nähe des Kristallrandes. Hier wird unter Einsatz der Erfindung mit entsprechenden Schwankungen eine nahezu konstante radiale EPD erzeugt. So ist die EPD für einen herkömmlich gezüchteten GaAs-Kristall beispielsweise in der kristallographischen <100>-Richtung im Randbereich um 120 % höher als am niedrigsten Punkt im Kernbereich und um 85% gegenüber dem Mittelwert im Kernbereich erhöht. Die Erhöhung der Versetzungsdichte im Randbereich der Kristalle ist dabei in <100>-Richtung besonders stark ausgeprägt. Dieses Beispiel beruht auf Messwerten an einem VGF-GaAs-Kristall (Durchmesser 100 mm), der in herkömmlicherweise gezüchtet wurde. Bei erfindungsgemäßen Ingots wird dagegen eine geringere Erhöhung der Versetzungsdichte im Randbereich der Halbleiterscheiben bestimmt, diese liegt im Randbereich vorzugsweise 70 % über dem Mittelwert der EPD des Kernbereichs, insbesondere 50 % über dem Mittelwert des Kernbereichs, also EPD(R) ≤ 1 1 / 2EPD(K) , bevorzugt 25 % oberhalb der EPD im Kernbereich.
Eine weitere messbare Größe, die vorzugsweise zur Bestimmung der Kristallqualität herangezogen wird ist die Restspannung. St. Eichler zeigt beispielsweise in „Crystal Growth Technology", Kapitel 9 „Recent Progress in GaAs Growth Technologies at Freiberger" Seite 231–266, editiert von H. J. Schell und P. Capper, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008 eine typische Verteilung von Restspannung in GaAs-Wafer. Dort werden Werte von 0.1–0.4 MPa angegeben, wobei die Scherspannungen im Randbereich signifikant erhöht sind. Die erfindungsgemäßen Kristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie während des Wachstums aufgrund einer fest/flüssig-Phasengrenze mit geringerer konkaver Durchbiegung auch geringere thermische Spannungen aufweisen. Diese thermischen Spannungen bei der Züchtung weisen radial gesehen vom Kristallrand zur Kristallmitte geringere Anstiege auf, so dass auch die im Kristall nach der Züchtung messbare Restspannung geringer bzw. in radialer Richtung homogener verteilt ist. Analog zur Eigenschaft „Versetzungsdichte“ kann daher die radiale Homogenität der Restspannung von kristallographischen Richtungen zur Bestimmung der Kristallqualität und Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots herangezogen werden. Im Falles eines <100>-orientierten GaAs-Einkristalls werden beispielsweise die <110> und <100>-Richtungen ausgewählt. Erfindungsgemäße Ingots weisen nun eine Spannungsverteilung (SV) auf, bei der die Werte für die Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich nicht mehr als 100 %, insbesondere nicht mehr als 75 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 % erhöht sind im Vergleich zur Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich. Der Randbereich und Kernbereich sind hierbei in ebengleicher Weise definiert, wie zuvor für die Bestimmung der Ätzgrubendichte dargelegt.
Ein weiteres Maß, welches die Kristallqualität von GaAs-Kristallen widerspiegelt, ist die Eigendefektdichte. Dabei wird die Defektkonzentration in bestimmten Bereichen gemessen. Als Defektkonzentration bezeichnet man das Verhältnis der Anzahl der Fehlstellen in der Gitterstruktur eines Festkörpers zur Gesamtzahl der Gitterplätze. Gitterfehler in einem Festkörper treten auf, weil sie einen Entropiegewinn durch Unordnung bringen. Zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots kann nun die Homogenität der Eigendefektdichte über den Kristall herangezogen werden. Konkret wird die Eigendefektdichte (EL2) im Randbereich und Kernbereich bestimmt, wobei Rand- und Kernbereich wieder, wie zuvor bei der Bestimmung der Ätzgrubendichte vorgegeben sind. Die Eigendefektdichte ist üblicherweise im Randbereich erheblich geringer als im Kernbereich. Erfindungsgemäß ist die Eigendefektdichte EL2(R) im Randbereich höchstens um ≤ 50 %, bevorzugt ≤ 25 %, insbesondere ≤ 10 % geringer als die Eigendefektdichte EL2(K) im Kernbereich.
Ferner kann auch die elektrische Widerstandsverteilung (EU) radial bestimmt und zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots herangezogen werden. Herbei gilt, dass die elektrischen Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich höchstens um ≤ 10 %, bevorzugt ≤ 5 % erhöht ist im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich. Rand- und Kernbereich sind wie oben definiert.
Durch Nutzung der Erfindung wird eine verbesserte Durchmischung der Schmelze erreicht, die beispielsweise im Falle von GaAs-Kristallen auf die Verteilung von As-Präzipitaten im Kristall und damit auf die Partikelzahl auf der polierten Oberfläche eines Schnitts in radialer Richtung des Ingots Einfluss hat. Besonders große As-Präzipitate erscheinen auf der polierten Oberfläche als Partikel (Durchmesser > 0,3 µm). Durch Reduzierung der As-Präzipitate und Verteilung des As-Überschuss im GaAs in gleichmäßig verteilten Ausscheidungen in Größen < 0,3 µm könnten demnach geringere Partikelzahlen erzielt werden. Tatsächlich lassen sich die erfindungsgemäßen Ingots, insbesondere monokristallinen Ingots, von herkömmlich hergestellten Ingots auch dadurch unterscheiden, dass die Partikelzahl PZ(R) im Randbereich eine geringere Abweichung von der Partikelzahl PZ(K) im Kernbereich zeigt. Konkret ist die Partikelzahl PZ(R) im Randbereich höchstens um ≤ 10 %, bevorzugt ≤ 5 % höher als die Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich. Zwangsläufig ist auch die kumulierte Partikelzahl PZ über den Rand- und Kernbereich im erfindungsgemäß hergestellten Ingot erniedrigt. Im speziellen Fall von GaAs-Ingots resultieren Partikelzahlen PZ < 40 pro Wafer (100mm-Durchmesser) und bei einem Kristall mit 150mm-Durchmesser < 75 cm^–2.
Zusammenfassend lassen sich erfindungsgemäß herstellbare oder hergestellte Ingots, insbesondere monokristallinen Ingots, somit durch eine, mehrere oder alle nachfolgenden Eigenschaften von bekannten Ingots unterscheiden:

a) ein Verhältnis einer Ätzgrubendichte EPD(K) im Kernbereich zu einer Ätzgrubendichte EPD(R) im Randbereich genügt der Formel: EPD(R) ≤ 1 3 / 4EPD(K);
b) eine Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich ist nicht mehr als um 100% erhöht im Vergleich zu einer Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich;
c) eine elektrische Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich ist höchstens um ≤ 10 % erhöht im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich; und
d) eine Partikelzahl PZ(R) im Randbereich ist höchstens um ≤ 10 % erhöht im Vergleich zu einer Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich,

Der Kernbereich wird dabei aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden und dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper konstruiert, dessen Grundfläche sieben Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht. Der Randbereich ist konstruiert aus dem verbleibenden Hohlkörper, dessen Grundfläche drei Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht. Die Grundfläche des Ingots entspricht der Fläche, die sich bei einem Schnitt senkrecht zur Mittelachse des Ingots ergibt.
Das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren kann insbesondere zur Herstellung von Ingots aus Materialien mit elektrischen Leitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 10⁸ S/m genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei vorzugsweise für die Züchtung von Einkristallen, wie zum Beispiel GaAs mit größeren Durchmessern (100–200 mm) geeignet. Der GaAs-Einkristall weist insbesondere einen oder mehrere der unter a) bis d) genannten Eigenschaften aus.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine Kristallisationsanlage mit seitlich eines Tiegels angeordneten Heizer-Magnet-Modulen nach dem Stand der Technik sowie ein resultierendes Lorentzkraftfeld,
2A–D schematische Schnittansichten durch eine Kristallisationsanlage mit oberhalb eines Tiegels angeordneten Heizer-Magnet-Modulen in vier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3A–C schematische Darstellungen von in Heizer-Magnet-Modulen angeordneten Spulen in drei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4A–C schematische Darstellungen von Windungsformen in Spulen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 ein Deckenheizer-Magnet-Modul in Form einer Archimedes-Spirale mit zwei Spulen, sowie deren Stromzuführungen als Ein-Tiegel-Ausführung,
6A/B eine simulierte Lorentzkraftdichteverteilung in einer GaAs Schmelze erzeugt durch ein Deckenheizer-Magnet-Modul bestehend aus 3 Spulen, erzeugt mit differierender Wechselstromfrequenz,
7A–E zeitlich sinusförmige Modulationen der Lorentzkraftstärke in der Schmelze,
8A/B simulierte dreidimensionale Temperaturverteilungen eines Kristalls nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei a) sinusförmig modulierter Stromstärke und b) konstanter Wechselstromamplitude, bei der Steuerung eines erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls,
9 ein radial bestimmter Verlauf einer Ätzgrubendichte (EPD) an einer Halbschale eines dotierten GaAs-Einkristalls erzeugt nach dem VGF-Verfahren (durchgezogene Linie mit Messpunkten) sowie erwarteter Verlauf unter Nutzung der Erfindung (gestrichelt)
10 eine schematische Darstellung eines konstruierbaren Kern- sowie Randbereiches in einem nach erfindungsmäßigen Verfahren erzeugten Kristalls, und
11 eine schematische Darstellung eines Decken-Heizer-Magnet-Moduls nach einer weiteren Ausführung der Erfindung mit je einer Spule als Mehrtiegelanordnung aus vier Tiegeln.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt in stark schematisierter Art und Weise eine Schnittansicht durch eine Kristallisationsanlage 1 nach Stand der Technik. Die Kristallisationsanlage 1 umfasst einen Tiegel 10 zur Aufnahme einer elektrisch leitenden Schmelze 30. Ober- und unterhalb des Tiegels 10 sind Standardheizer 60 bzw. 62 im Deckel bzw. Boden der Kristallisationsanlage 10 angeordnet. An der Kristallisationsanlage 1 seitlich angeordnet sind Heizer-Magnet-Module 20, welche in dargestellter Ausführung drei Spulen 21 umfassen. Das Heizer-Magnet-Modul 20 kann mittels nicht dargestellter Stromzuführungen derart gesteuert werden, dass ein gerichtetes Lorentzkraftfeld 40 resultiert. Das resultierende Lorentzkraftfeld 40 weist zu einer geometrischen Mittelachse 50 eines wachsenden Einkristalls 32 hin, wobei die geometrische Mittelachse 50 des Kristalls mit der geometrischen Mittelachse 50 des Tiegels zusammenfällt. Dabei ist das Kraftfeld der Verschiebungsrichtung einer fest/flüssig-Phasengrenze 31 entgegengerichtet. Ein gerichtetes Lorentzdichtekraftfeld 40 wirkt in Abhängigkeit seiner Parameter (beispielsweise, Stärke, Richtung, Verteilung etc.) auf die Teilchenbewegung einer elektrisch leitenden Schmelze 30, so dass durch die Steuerung der Parameter des Lorentzkraftfeldes 40 eine Durchmischung der Schmelze 30, sowie die Form der fest/flüssig-Phasengrenze 31 induziert und gesteuert werden kann. Bei der Verwendung von seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Modulen 20 sind grundsätzlich nur Lorentzkraftdichten in der Schmelze 30 induzierbar, die eine Neigung vom Rand des Tiegels 10 zur geometrischen Mittelachse 50 des Tiegels 10 aufweisen. Es sind unter Anwendung dieser Anwendung auch konvexe Phasengrenzen 33 einstellbar, es bleibt aber stets ein unerwünschter konkaver Anteil der Phasengrenze 34 in der Nähe des Tiegelrandes. Dieser konkave Anteil der Phasengrenze 34 kann polykristalline Strukturen auslösen.
Die 2A–D zeigen erfindungsgemäße Kristallisationsanlagen 1 in vier Ausführungsformen. Die Kristallisationsanlage 1 ermöglicht die gerichtete Kristallisation von Einkristallen aus elektrischen Schmelzen in Tiegelanordnungen nach dem vertikalen Gradienverfahren (VGF), ist aber auch für Kristallisationsanlagen nach der Bridgman- oder DS-Methode anwendbar, wobei der äußere Deckelrand vorzugsweise der äußeren Tiegelform folgt.
Jeweils seitlich angeordnet sind Standardheizer 65, die keine Magnetfelder induzieren. Vorliegend ist ein Heizer-Magnet-Modul 20 oberhalb des Tiegels angeordnet. In den dargestellten Ausführungsformen der 2A–D umfasst das Heizer-Magnet-Modul 20 jeweils zwei Spulen 21. Wie bereits in 1 beschrieben kann durch Erzeugung eines Lorentzkraftfeldes 40 die fest/flüssig-Phasengrenze 31 beeinflusst werden. In den in 2A–C dargestellten Ausführungsbeispielen wird dabei in die Spulen des Heizer-Magnet-Moduls 20 Wechselstrom mit einem Phasenwinkel gespeist, wobei der Phasenwinkel zwischen den Spulen von der Mitte nach außen zunimmt. Eine Ausrichtung der Lorentzkräfte in der gezeigten Richtung zum Tiegelrand ist bisher nicht beschrieben worden und ermöglicht neuartige Einflussmöglichkeiten auf die Form der fest/flüssig-Phasengrenze 31 (Kristallisationsfront) bei der Kristallisation. Das resultierende Lorentzkraftfeld 40 ist wie in 2A–C gezeigt nach außen gerichtet und induziert damit eine konvex gekrümmte fest/flüssig-Phasengrenze 31. Anders als bei der Anordnung im Stand der Technik in 1 trifft dies auch für den Randbereich zu. Freiheitsgrade bei der Ausrichtung des resultierenden Lorentzfeldes sind durch die Anordnung der Windungen der einzelnen Spulen 21 sowie der Spulen zueinander einstellbar. In der in 2A gezeigten Ausführungsform sind die beiden Windungen beispielsweise einer Archimedes-Spirale in gleicher Höhe angeordnet. Das Lorentzkraftfeld 40 wird hierbei über die Parameter des zugeführten Wechselstroms, wie Stromstärke und Amplitude, gesteuert. Eine weitere Ausführungsform sind Spiralen 21 mit variabler Windungshöhe (siehe 2C/D); hier kann durch Variation der Windungshöhe die Verteilung der Lorentzkraftdichte 40 sowie der Wärmeverteilung in der Schmelze 32 gezielt eingestellt werden. Die Windungshöhe ermöglicht dabei die Variation der Lorentzkräfte 40 sowie der Wärmeverteilung auch bei Anordnungen mit nur einer Spule 21. Bei den beschriebenen Anordnungen sind auch Ausführungen möglich, bei denen sich die Windungen der Spule 21 nicht in einer Ebene befinden. Der frei wählbare Abstand der einzelnen Windungen zur Kristallisationsfront eröffnet weitere Freiheiten bei der Einstellung der Temperatur- und Magnetfelder in der Schmelze (siehe 2A).
Die 3A–C zeigen eine Auswahl möglicher Ausbildungsformen der Spulen 21 in konzentrisch geformten Heizer-Magnet-Modulen. Dabei ist in 3A eine in sogenannter Sternform angeordnete Spule 21 gezeigt (das Heizer-Magnet-Modul umfasst hier nur eine einzige Spule), während 3C eine typische Archimedes-Spirale aus drei Spulen 21.1 ... 21.3 darstellt. Die in 3B dargestellte spiralförmige Anordnung von zwei Spulen 21.1 und 21.2 verfügt über stufenartig ausgeformte Windungen.
Über die geometrische Form hinaus können die im erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Modul 20 angeordneten Spulen auch in der Anordnung der Windungen variieren. Beispielsweise sind neben der klassischen Archimedes-Spirale (4B) auch logarithmische Formen (4A) und Federformspiralen (4C) möglich.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls 20, welches als Deckenheizer oberhalb des Tiegels 10 angeordnet ist. Das Heizer-Magnet-Modul 20 ist aus einer inneren Spule 21.1 und einer äußeren Spule 21.2 aufgebaut, die konzentrisch in Form einer Archimedes-Spirale ausgeführt sind. Ebenfalls dargestellt sind die Stromzuführungen 221 und 222 der inneren Spule 21.1, sowie die Stromzuführungen 231 und 232 für die äußere Spule 21.2, ausgeführt als Anschluss für Wechselspannung. Um die Erzeugung eines Lorentzkraftfeldes in erfindungsgemäßer Art zu gewährleisten, ist es wichtig, die Stromzuführungen so auszuführen, dass sie nahe der Windungen des Heizer-Magnet-Moduls senkrecht verlaufen und erst in größtmöglichem Abstand parallel verlaufen. Andernfalls könnte das mittels Heizer-Magnet-Moduls 20 erzeugte Lorentzkraftfeld ganz oder teilweise ausgelöscht werden, was wiederum zu Inhomogenitäten in der Schmelze und letztlich zu polykristallinen Einschlüssen führen würde.
Eine Kristallisationsanlage 1 mit einer Multitiegelanordnung ist in 11 dargestellt. Die Kristallisationsanlage 1 umfasst insgesamt vier Kristallisationseinheiten je gleichen Aufbaus. Eine Einheit umfasst jeweils einen Tiegel 10 und ein über der Tiegelöffnung angeordnetes Heizer-Magnet-Modul 20 mit einer Spule 21. Jede Spule 21 verfügt über zwei Stromzuführungen 211, 212 mit einem Anschluss für Wechselstrom am innenliegenden Anfangspunkt der Spule 21 und einem weiterer Anschluss am außenliegenden Endpunkt der Spule 21. Die Stromzuführungen 211, 212 der einzelnen Spulen laufen zunächst senkrecht zu den Windungen der Spulen 21 nach oben und dann sternförmig zu einem zentralen Anschluss 200, welcher seinerseits konzentrisch über der Tiegelanordnung angeordnet ist. Oberhalb des zentralen Anschlusses 200 laufen der Anschluss 201 für die Spulenanfänge und der Anschluss 202 für die Spulenenden wieder auseinander um an einer nicht gezeigten Stromquelle angeschlossen zu werden.
Die 6A/B zeigen Simulationen einer Lorentzkraftdichteverteilung in einer GaAs Schmelze erzeugt durch ein erfindungsgemäßes Heizer-Magnet-Module bestehend aus 3 Spulen. Der in 6A dargestellten Verteilung liegt dabei ein Modell mit einer Wechselstrom-Frequenz von f = 10 Hz und einem Phasenwinkel Δϕ = 100° zwischen den Spulen zugrunde. Die Berechnungen zur 6B gingen von f = 60Hz Wechselstrom-Frequenz und einem Phasenwinkel von Δϕ = 100° zwischen den Spulen aus. Die Verteilung des Lorentzkraftfeldes ist durch Parameter des angelegten Wechselstroms, wie die Frequenz, sowie den Phasenwinkel zwischen den Spulen steuerbar.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl durch die Einspeisung vorgegebener Stromamplituden betrieben werden, als auch mit einem zusätzlichen neuartigen Verfahren angesteuert werden. Hierbei wird der Wechselstrom, der für die Erzeugung der Lorentzkraftdichten in der Schmelze genutzt wird, vorzugsweise sinusförmig zeitlich moduliert. Verändert werden können die Amplituden des Wechselstroms, die Amplituden der Modulation, sowie die Periode der Modulation. Die zeitliche Modulation der Stromstärke kann dabei mit unterschiedlichen Parametern, wie in den 7A–E gezeigt, erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel erwies sich eine Modulation mit einer Periode von 20 s (7D) als besonders geeignet. Die genannten Verfahrensvarianten können besonders symmetrische Temperatur- und Magnetfeldverteilungen in den verwendeten Tiegeln erzeugen und geringfügig vorhandene Asymmetrien im erzeugten Magnetfeld mitteln.
Die 8A/B zeigen dreidimensional die Temperaturverteilungen in einem Tiegel. Der Abstand der Linien zueinander ist Maß für den Temperaturverlauf, die Temperatur nimmt dabei mit zunehmendem Linienabstand zu. Die Temperatur zeigt in einem Bereich von 1550 K bis 1600 K besonders eng zueinander verlaufende Linien. Die Teildarstellungen veranschaulichen den Einfluss sinusförmig modulierter Stromstärke (8A) und den Einfluss einer konstanten Wechselstromamplitude (8B) auf das Temperaturfeld.
Ein erfindungsgemäß erzeugter Ingot zeichnet sich dadurch aus, dass er im Vergleich zu Ingots, die nach dem Stand der Technik gezüchtet werden, über seine gesamte radiale Erstreckung, also von seinem Kernbereich hin zum Randbereich homogen kristallin ist. Ein Maß für diese radiale Homogenität ist beispielsweise die Versetzungsdichte.. Experimentell zugänglich ist die Versetzungsdichte über die Ätzgrubendichte (etch pit density EPD). Diese wird ermittelt, indem die zu betrachtende Kristallfläche mit einem selektiv ätzenden Reagenz behandelt wird. Dabei entstehen an den Versetzungen Gräben, die unter einem Mikroskop als Linien sichtbar werden, deren Anzahl je Flächeneinheit der Ätzgrubendichte entspricht. 9 stellt den radial zur Oberfläche experimentell bestimmten Verlauf der Ätzgrubendichte einer Halbschale eines nach dem bekannten KristMAG-Verfahren hergestellten GaAs-Kristalls (durchgezogene Linie), dem nach einem Modell zu erwartenden Verlauf eines nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kristalls gegenüber (gestrichelte Linie). Auf der Abszisse ist der Abstand a von der Mittelachse des Kristalls dargestellt. Die Mittelachse fällt dabei in den Koordinatenursprung. Die Ordinate trägt die experimentelle EPD der beiden Kristalle auf.
Deutlich zu sehen ist die typische W-Form (in der Abbildung nur als „halbes W“ zu sehen, da nur eine Halbschale dargestellt ist), die die Versetzungsdichte eines nach Stand der Technik hergestellten Kristalls. Je höher die Ätzgrubendichte ist, desto höher ist der polykristalline Anteil an dieser Stelle. Wie ersichtlich, herrscht im Kristallkern ein hoher einkristalliner Anteil vor. Dieser nimmt nach außen hin ab und durchläuft, bevor er einen Maximalwert erreicht, ein lokales Minimum. Der Maximalwert der Ätzgrubendichte des untersuchten Kristalls ist im Randbereich fast doppelt so groß wie die Ätzgrubendichte im Kernbereich. Für Kristalle, die nach erfindungsgemäßem Verfahren hergestellt werden, ist zu erwarten, dass sie diesen typischen W-Verlauf der Ätzgrubendichte nicht zeigen. Wie 9 zeigt, steigt die Ätzgrubendichte vom Kernbereich zum Randbereich zwar moderat an, durchläuft aber kein lokales Minimum.
Die Definition für Randbereich 56 und Kernbereich 55 eines Kristalls 32 (Ingot) ist in 10 schematisch dargestellt. Der Kernbereich 55 ist als Körper zu verstehen, dessen äußere Form der Kristallform entspricht. Die Grundfläche 51 des Körpers im Kernbereich 55 ist bei gleicher Höhe aber um ein Drittel reduziert. Schneidet man den Kernbereich 55 aus dem Kristall 32 heraus, resultiert ein Hohlkörper, der den Randbereich 56 bildet. Die Grundfläche 51 des Hohlkörpers und damit des Randbereiches 56 entspricht einem Drittel der Grundfläche des Kristalls 32. Die Grundfläche des Kristalls 32 ergibt sich also aus der Summe der Grundflächen 51 des Kernbereichs 55 und der Grundfläche 52 des Randbereichs 56. Die Mittelachsen 50 aller drei Körper, also des Kernbereichs 55, Randbereichs 56 und Kristall 32 fallen zusammen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007026298 A1 [0002, 0004]
DE 102009045680 A1 [0003]
DE 102008027359 B4 [0005]
DE 102007028548 B4 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Ch. Frank-Rotsch, U. Juda, B. Ubbenjans, P. Rudolph: “VGF growth of 4 in. Ga-doped germanium crystals under magnetic and ultrasonic fields“ Journal of Crystal Growth 352 (2012) 16–20 [0013]
„Crystal Growth Technology“, Kapitel 9 „Recent Progress in GaAs Growth Technologies at Freiberger“ Seite 231–266, editiert von H. J. Schell und P. Capper [0033]

Claims

Kristallisationsanlage (1) zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen, umfassend: i. mindestens einen Tiegel (10) zur Aufnahme der Schmelze; ii. ein Heizer-Magnet-Modul (20), mit ein oder mehreren Spulen (21) und dazugehörigen elektrischen Zuleitungen (200), wobei jedem Tiegel ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet ist; und iii. eine Steuer- und Stromversorgungseinheit für das Heizer-Magnet-Modul (20), wobei das dem jeweiligen Tiegel zugeordnete Heizer-Magnet-Modul (20) derart angeordnet und elektrisch angesteuert ist, dass ein Lorentzkraftdichtefeld (40) erzeugbar ist, welches derart gerichtet ist, dass die resultierende Kraftwirkung, relativ zu einer geometrischen Mittelachse (50) des Tiegels (10), entgegen der Wachstumsrichtung nach außen oder parallel wirkt.
Kristallisationsanlage nach Anspruch 1, wobei die elektrischen Zuleitungen (200) parallel zur Mittelachse (50) des Tiegels (10) angeordnet sind.
Kristallisationsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder zusammengelegt mehreren Spulen (21) eines Heizer-Magnet-Moduls (10) einen Kreis oder eine Spirale bilden.
Kristallisationsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kristallisationsanlage zwei oder mehr Tiegel (10) aufweist.
Verfahren zur Kristallzüchtung aus elektrisch leitenden Schmelzen umfassend folgende Schritte: i. Bereitstellen einer Kristallisationsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; ii. Beschicken des mindestens einen Tiegels (10) mit dem zu verarbeitendem Material und Schmelzen (30) des Materials; iii. Einleiten der Kristallisation ausgehend vom Boden des Tiegels (10); und iv. Erzeugen eines zeitlich abhängigen Magnetfeldes in der Art, dass ein entgegen der Wachstumsrichtung eines zu züchtenden Kristalls nach außen zu einem Rand des Tiegels (10) oder parallel zu dem Tiegelrand gerichtetes Lorentzfeld resultiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Lorentzkräfte zentrosymmetrisch wirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei resultierende Lorentzkräfte über eine zeitliche, insbesondere sinusförmige Modulation mindestens eines der Parameter eines angelegten Wechselstroms eingestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die elektrisch leitenden Schmelzen aus Halbleiterverbindungen bestehen oder diese umfassen.
Ingot, insbesondere monokristalliner Ingot, herstellbar oder hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8.
Ingot, insbesondere monokristalliner Ingot, aufweisend eine, mehrere oder alle der folgenden Eigenschaften: a) ein Verhältnis einer Ätzgrubendichte EPD(K) im Kernbereich zu einer Ätzgrubendichte EPD(R) im Randbereich genügt der Formel: EPD(R) ≤ 1 3 / 4EPD(K); b) eine Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich ist nicht mehr als um 100% erhöht im Vergleich zu einer Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich; c) eine elektrische Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich ist höchstens um ≤ 10 % erhöht im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich; und d) eine Partikelzahl PZ(R) im Randbereich ist höchstens um ≤ 10 % erhöht im Vergleich zu einer Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich, wobei der Kernbereich als ein aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden und dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper konstruiert ist, dessen Grundfläche sieben Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht und der Randbereich aus dem verbleibendem Hohlkörper konstruiert ist, dessen Grundfläche drei Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht.
Ingot nach Anspruch 10, bei dem der Ingot ein monokristalliner GaAs-Ingot ist.
Ingot nach Anspruch 11, bei dem eine Eigendefektdichte EL2(R) des GaAs-Ingots im Randbereich höchstens um ≤ 50 % verringert ist im Vergleich zu einer Eigendefektdichte EL2(K) im Kernbereich.