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QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der P.R.C.-Patentanmeldung Nr. 201910990351.4 mit dem Titel „a semiconductor crystal growth apparatus“, die am 17. Oktober 2019 beim Staatlichen Amt für geistiges Eigentum der Volksrepublik China (SIPO) eingereicht wurde.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitertechnologie, insbesondere eine Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung.
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HINTERGRUND
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CN 1468328A offenbart eine Hitzeschildanordnung, die zur Anordnung innerhalb einer Kristallziehvorrichtung, angepasst ist. Die Hitzeschildanordnung hat eine zentrale Öffnung, die so bemessen und geformt ist, dass sie den Barren umgibt, wenn der Barren aus dem geschmolzenen Material gezogen wird, und die im Allgemeinen zwischen dem Barren und dem Tiegel angeordnet ist, wenn der Barren aus dem Ausgangsmaterial gezogen wird. Die Hitzeschildanordnung umfasst einen Außenreflektor mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, die sich im Allgemeinen gegenüberliegend und beabstandet zu einer Seitenwand des Tiegels befinden, und einen Innenreflektor, der sich innerhalb des Außenreflektors befindet. Der innere Reflektor besteht aus einem Material mit niedrigem Emissionsvermögen und hat eine Außenfläche, die der Innenfläche des äußeren Reflektors im Allgemeinen gegenüberliegt. Mindestens eine der äußeren Oberfläche des inneren Reflektors und der inneren Oberfläche des äußeren Reflektors hat einen Abstandshalter, der davon nach außen ragt und für eine Kontaktbeziehung zwischen dem inneren Reflektor und dem äußeren Reflektor angepasst ist. Der Abstandshalter trennt die äußere Oberfläche des inneren Reflektors von der inneren Oberfläche des äußeren Reflektors, um die Wärmeleitung vom äußeren Reflektor zum inneren Reflektor zu verhindern.
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Die
JP 201375785A offenbart eine Strahlungsabschirmung einer Einkristall-Ziehvorrichtung, die in der Lage ist, die Kristalldefekterzeugung durch Verbessern der Ziehgeschwindigkeit eines Einkristalls zu unterdrücken und die Kristallversetzungserzeugung zu unterdrücken. Diese Strahlungsabschirmung, die über einem Tiegel angeordnet ist, um einen Silizium-Einkristall zu umschließen, weist einen zylindrischen geraden Zylinderteil und einen unteren Schulterteil auf, der sich von dem unteren Ende des geraden Zylinderteils zu der Innenseite biegt, um eine untere Endöffnung zu bilden, und weist ein Wärmeabschirmelement auf, das in einer radialen Richtung mit einer vorgeschriebenen Breite an einer vorgeschriebenen Position in der Umfangsrichtung an einem Umfangsteil der unteren Endöffnung vorsteht und eine vorgeschriebene Dickenabmessung in der Höhenrichtung aufweist.
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Die
US 20100288185A1 offenbart eine Schmelze aus der Silizium-Einkristalle gezüchtet werden, indem die Schmelze in einem Tiegel bereitgestellt wird, ein horizontales Magnetfeld auf die Schmelze ausgeübt wird, ein Gas zwischen dem Einkristall und einem Hitzeschild zu einer schmelzfreien Oberfläche geleitet wird und das Gas so gesteuert wird, dass es über einen Bereich der schmelzfreien Oberfläche strömt, der sich in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der magnetischen Induktion erstreckt. Weiterhin offenbart die
US 20100288185A1 eine geeignete Vorrichtung, welche einen Tiegel zum Halten der Schmelze aufweist, einen den Silizium-Einkristall umgebenden Hitzeschild mit einem unteren Ende, das mit einer Bodenabdeckung verbunden ist, die einer schmelzfreien Oberfläche zugewandt ist, und einer nicht achsensymmetrischen Form in Bezug auf eine Tiegelachse, so dass Gas, das zwischen dem Kristall und dem Hitzeschild zu der schmelzfreien Oberfläche geleitet wird, gezwungen wird, über einen Bereich der Schmelze zu fließen, der sich im Wesentlichen senkrecht zu der magnetischen Induktion erstreckt.
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Das Czochralski-Prozess (CZ)-Verfahren ist ein wichtiges Verfahren zur Herstellung von einkristallinem Silizium für Halbleiter und Solarenergie. Das in dem Tiegel befindliche hochreine Siliziummaterial wird durch ein thermisches Feld, das aus einem Kohlenstoffmaterial besteht, erhitzt, um es zu schmelzen, und dann wird der Keim durchgeschmolzen. Der Kristall wird in die Schmelze eingetaucht und durchläuft eine Reihe von Prozessen (Einführung, Umbiegen, gleicher Durchmesser, Endbearbeitung, Kühlung), um einen Einkristallstab zu erhalten.
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Bei dem Wachstum von Halbleiter-Einkristall-Silizium oder Solar-Einkristall-Silizium nach dem CZ-Verfahren wirkt sich die Temperaturverteilung des Kristalls und der Schmelze direkt auf die Qualität und Wachstumsrate des Kristalls aus. Während des Wachstums von CZ-Kristallen ist aufgrund der in der Schmelze vorhandenen thermischen Konvektion die Verteilung von Spurenverunreinigungen ungleichmäßig und es bilden sich Wachstumsstreifen aus. Wie die thermische Konvektion und die Temperaturschwankung der Schmelze während des Kristallziehprozesses unterdrückt werden können, ist daher ein weit verbreitetes Problem.
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Die Kristallwachstumstechnologie unter einem Magnetfeldgenerator (MCZ genannt) wendet ein Magnetfeld auf eine Siliziumschmelze als Leiter an, setzt die Schmelze einer LorentzKraft entgegengesetzt zu ihrer Bewegungsrichtung aus, behindert die Konvektion in der Schmelze und erhöht die Viskosität der Schmelze, reduziert Verunreinigungen wie Sauerstoff, Bor und Aluminium aus dem Quarztiegel in die Schmelze und dann in den Kristall, so dass der gewachsene Siliziumkristall einen kontrollierten Sauerstoffgehalt vom niedrigen bis zum hohen Bereich haben kann, reduzierend. Die Verunreinigungsstreifen sind in Halbleiterkristallwachstumsprozessen weit verbreitet. Eine typische MCZ-Technologie ist die so genannte horizontale Magnetfeld-Kristallwachstumstechnologie (HMCZ), die ein horizontales Magnetfeld an eine Halbleiterschmelze anlegt und für das Wachstum von großformatigen und anspruchsvollen Halbleiterkristallen weit verbreitet ist.
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Bei der Kristallwachstumstechnologie unter einer Horizontalmagnetfeldvorrichtung (HMCZ) sind der Kristallwachstumsofen, das thermische Feld, der Tiegel und die Siliziumkristalle in der Umfangsrichtung so symmetrisch wie möglich, und die Tiegel- und Kristalldrehung bewirken, dass die Temperaturverteilung in der Umfangsrichtung tendenziell gleichmäßig ist. Die Magnetfeldlinien des Magnetfeldes, die während des Anlegens des Magnetfeldes angelegt werden, verlaufen jedoch parallel von einem Ende der Siliziumschmelze im Quarztiegel zum anderen Ende. Die von der rotierenden Siliziumschmelze erzeugte Lorentzkraft ist in allen Richtungen in der Umfangsrichtung unterschiedlich, so dass der Fluss der Siliziumschmelze und die Temperaturverteilung in der Umfangsrichtung inkonsistent sind.
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Wie in 1A und 1B gezeigt, sind schematische Diagramme einer Temperaturverteilung unterhalb einer Grenzfläche zwischen einem kristallgewachsenen Kristall und einer Schmelze in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung dargestellt. Davon zeigt 1A einen Graphen aus gemessenen Testpunkten, die auf der horizontalen Oberfläche der Siliziumschmelze im Tiegel verteilt sind, wobei ein Punkt unter einem Winkel von θ = 45° in einem Abstand von 25 mm unterhalb des Schmelzflüssigkeitsspiegels und in einem Abstand von L = 250 mm vom Zentrum getestet wird. 1B ist eine Kurve der Temperaturverteilung, die durch Simulationsberechnung und Test entlang jedes Punktes unter einem Winkel θ mit der X-Achse in 1A erhalten wird, wobei die durchgezogene Linie die durch Simulationsberechnung erhaltene Temperaturverteilungskarte darstellt und das Punktdiagramm die gemessene, durch das Testverfahren angenommene Temperaturverteilung angibt. In 1A zeigt der Pfeil A an, dass die Drehrichtung des Tiegels entgegen dem Uhrzeigersinn ist, und der Pfeil B zeigt an, dass die Richtung des Magnetfeldes den Durchmesser des Tiegels entlang der Richtung der Y-Achse kreuzt. Aus 1B ist ersichtlich, dass während des Wachstums des Halbleiterkristalls sowohl die Ergebnisse der Simulationsrechnung als auch das gemessene Testverfahren gezeigt haben, dass die Temperatur auf dem Umfang unterhalb der Grenzfläche eines Halbleiterkristalls schwankte und sich der Füllstand der Siliziumschmelze während des Wachstums des Halbleiterkristalls mit dem Winkel ändert.
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Gemäß der Voronkow-Kristallwachstumstheorie lautet die thermische Gleichgewichtsgleichung der Grenzfläche des Kristalls und der Flüssigkeitsoberfläche wie folgt,
PS * LQ = Kc * Gc-Km * Gm.
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Davon ist LQ das Potential des Phasenübergangs von Siliziumschmelze zu Siliziumkristall, Kc, Km repräsentieren die Wärmeleitfähigkeit des Kristalls bzw. der Schmelze; Kc, Km und LQ sind die physikalischen Eigenschaften des Siliziummaterials; PS repräsentiert die Kristallkristallisationsgeschwindigkeit entlang der Dehnungsrichtung beim Ziehen, die ungefähr der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls entspricht; Gc, Gm sind der Temperaturgradient (dT / dZ) des Kristalls bzw. der Schmelze an der Grenzfläche. Da die Temperatur unterhalb der Grenzfläche des Halbleiterkristalls und der Schmelze während des Wachstums von Halbleiterkristallen periodische Schwankungen mit der Änderung des Umfangswinkels aufweist, d.h. der Gc des Temperaturgradienten (dT / dZ) des Kristalls und der Schmelze als Grenzfläche, schwankt Gm. Daher fluktuiert die Kristallisationsgeschwindigkeit PS des Kristalls in Umfangswinkelrichtung periodisch, was für die Steuerung der Qualität des Kristallwachstums nicht förderlich ist.
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Aus den oben genannten Gründen ist es notwendig, eine neue Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung vorzuschlagen, um die Probleme des Standes der Technik zu lösen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Im Abschnitt Zusammenfassung der Erfindung wird eine Reihe von vereinfachten Ausbildungen von Konzepten vorgestellt, die im Abschnitt Detaillierte Beschreibung näher beschrieben werden. Die Zusammenfassung der Erfindung soll weder die Hauptmerkmale und wesentlichen technischen Merkmale der beanspruchten Erfindung noch den Schutzumfang der beanspruchten Ausführungsformen einschränken.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung bereitzustellen, die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung umfasst:
- einen Ofenkörper;
- einen Tiegel, der innerhalb des Ofenkörpers angeordnet ist, um eine Siliziumschmelze zu enthalten;
- eine Ziehvorrichtung, die an der Oberseite des Ofenkörpers angeordnet ist und zum Herausziehen eines Siliziumbarrens aus der Siliziumschmelze verwendet wird;
- einen Deflektor, der zylinderförmig ist und oberhalb der Siliziumschmelze im Ofenkörper in vertikaler Richtung angeordnet ist,
- wobei die Ziehvorrichtung den Siliziumbarren in vertikaler Richtung durch den Deflektor zieht; und
- eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung zum Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes an die Siliziumschmelze im Tiegel;
- wobei an der Unterseite der Innenwand des Deflektors Furchen vorhanden sind, so dass ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in der Richtung des Magnetfeldes größer ist als ein Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Furchen auf gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Furchen bogenförmige Furchen sind und entlang der Umfangsrichtung des Deflektors angeordnet.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen umfasst der Deflektor einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material, wobei sich die Unterseite des äußeren Zylinders unter der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt und zur Unterseite des inneren Zylinders hin geschlossen ist, um einen Hohlraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder auszubilden, und das wärmeisolierende Material in dem Hohlraum angeordnet ist.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Furchen an der Unterseite der Innenwand des inneren Zylinders angeordnet.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen umfasst der Deflektor ein Einfügeelement, das Einfügeelement umfasst einen vorstehenden Abschnitt und einen Einfügeabschnitt, und der Einfügeabschnitt ist zwischen einem Abschnitt der Unterseite des äußeren Zylinders, der sich unterhalb der Unterseite des inneren Zylinders erstreckt, und der Unterseite des inneren Zylinders eingefügt, und der vorstehende Abschnitt ist innerhalb einer Außenwand der Unterseite des inneren Zylinders angeordnet.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen sind die Furchen an der Unterseite des vorstehenden Abschnitts angeordnet.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen liegt eine Bogenlänge der bogenförmigen Furchen im Bereich von 20 mm bis 200 mm.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen liegt die Tiefe der Furchen im Bereich von 2 mm bis 20 mm.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen ist ein Winkel zwischen der Unterseite der Furche und ihrer Seitenwand größer oder gleich 90°.
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Gemäß der Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird durch Einstellung unterschiedlicher Abstände zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren entlang der Umfangsrichtung des Siliziumkristallbarrens, d.h. der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in Richtung des Magnetfeldes ist größer als der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld, die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze abgestimmt, so dass das Problem der Fluktuationen in der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Halbleiterkristall und dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze, der durch das angelegte Magnetfeld verursacht wird, während des Wachstums des Halbleiterkristalls abgestimmt werden kann und effektiv die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze verbessert wird und dadurch die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsrate und die Qualität des Kristallziehens verbessert wird.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung leichter verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden, in denen:
- 1A und 1B schematische Diagramme der Temperaturverteilung unterhalb der Grenzfläche zwischen einem Kristall und einer Schmelze in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung sind;
- 2 ein schematisches Strukturdiagramm einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- 3 eine schematische Querschnittspositionsanordnung eines Tiegels, eines Deflektors und eines Siliziumkristallbarrens in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
- 4 ein schematisches Strukturdiagramm eines Deflektors in einer Halbleiterwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand konkreter Beispiele beschrieben, und der Fachmann kann andere Vorteile und Wirkungen der vorliegenden Erfindung anhand der Offenbarung der vorliegenden Offenbarung leicht nachvollziehen. Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen anderen spezifischen Ausführungsformen verkörpert oder angewandt werden, und es können verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
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In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung zwar in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben, es wird jedoch davon ausgegangen, dass diese verschiedenen Ausführungsformen nicht dazu dienen, die Erfindung einzuschränken. Im Gegenteil soll die Erfindung Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfassen, die in den Anwendungsbereich der Erfindung gemäß den Ansprüchen fallen können. Darüber hinaus werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen gemäß der Erfindung zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Für einen Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung auch ohne diese spezifischen Einzelheiten oder mit Äquivalenten davon ausgeführt werden kann. In anderen Fällen sind bekannte Methoden, Verfahren, Komponenten und Schaltungen nicht im Detail beschrieben worden, um Aspekte der Erfindung nicht unnötig zu verdecken.
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Um die Erfindung umfassend zu verstehen, werden die folgenden Beschreibungen detaillierte Schritte zur Erläuterung eines Verfahrens zur Kristallwachstumskontrolle eines Umbiegeprozesses (engl. shouldering process) gemäß der Erfindung bereitstellen. Es ist offensichtlich, dass die Praxis der Erfindung nicht auf die spezifischen Details beschränkt ist, die den Fachleuten der Halbleitertechnik vertraut sind. Die bevorzugte Ausführungsform wird wie folgt beschrieben. Die Erfindung hat jedoch über die detaillierte Beschreibung hinaus weitere Ausführungsformen.
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Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht als Einschränkung von Beispielausführungsformen gedacht. Wie hier verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner wird davon ausgegangen, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend", „einschließt“ und/oder „einschließend“, falls sie hier verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzer Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird ein schematisches Strukturdiagramm einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung umfasst einen Ofenkörper 1, einen Tiegel 11, der im Ofenkörper 1 angeordnet ist, und eine Heizvorrichtung 12, die an der Außenseite des Tiegels 11 zur Beheizung vorhanden ist. Der Tiegel 11 enthält eine Siliziumschmelze 13. Der Tiegel 11 ist aus einem Graphittiegel und einem vom Graphittiegel ummantelten Quarztiegel zusammengesetzt. Der Graphittiegel erhält die von der Heizvorrichtung bereitgestellte Wärme, um das polykristalline Siliziummaterial im Quarztiegel zu schmelzen und eine Siliziumschmelze auszubilden. Jeder Quarztiegel wird für einen Chargen-Halbleiterwachstumsprozess verwendet, und jeder Graphittiegel wird für einen Multi-Chargen-Halbleiterwachstumsprozess verwendet.
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Eine Ziehvorrichtung 14 ist auf der Oberseite des Ofenkörpers 1 vorhanden. Von der Ziehvorrichtung 14 angetrieben, kann ein Impfkristall aus einem Siliziumbarren 10 aus dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze gezogen und herausgezogen werden, und eine Hitzeschutzvorrichtung ist um den Siliziumbarren 10 herum vorgesehen. Die Hitzeschutzvorrichtung, zum Beispiel wie in 1 dargestellt, umfasst einen Deflektor 16, der in einem Zylindertyp vorgesehen ist, dient als Hitzeschutzvorrichtung, um den Quarztiegel während des Kristallwachstumsprozesses zu isolieren, und die von der Siliziumschmelze im Tiegel auf der Oberfläche des Kristalls erzeugte Wärmestrahlung erhöht die Abkühlgeschwindigkeit und den axialen Temperaturgradienten des Barrens und erhöht die Anzahl des Kristallwachstums. Andererseits beeinflusst sie die thermische Feldverteilung auf der Oberfläche der Siliziumschmelze und vermeidet, dass der axiale Temperaturgradient zwischen dem Zentrum und dem Rand zu groß ist, um ein stabiles Wachstum zwischen dem Kristallbarren und dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze zu gewährleisten. Gleichzeitig wird die Umlenkplatte auch dazu verwendet, das aus dem oberen Teil des Kristallwachstumsofens eingeleitete Inertgas so zu leiten, dass es mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit durch die Oberfläche der Siliziumschmelze strömt, um den Effekt der Kontrolle des Sauerstoffgehalts und des Verunreinigungsgehalts im Kristall zu erreichen. Während des Wachstums des Halbleiterkristalls, angetrieben durch die Ziehvorrichtung 14, durchläuft der Siliziumbarren 10 vertikal den Deflektor 16.
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Um ein stabiles Wachstum des Siliziumbarrens zu erreichen, ist an der Unterseite des Ofenkörpers 1 eine Antriebsvorrichtung 15 zum Antrieb des Tiegels 11 zur Drehung und Auf- und Abbewegung vorhanden. Die Antriebsvorrichtung 15 treibt den Tiegel 11 an, damit er während des Kristallziehvorgangs weiter rotiert, um das Schmelzen von Silizium zu reduzieren. Die thermische Asymmetrie des Körpers bewirkt ein gleichmäßiges Wachstum der Siliziumkristallsäulen.
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Um die Konvektion der Siliziumschmelze zu behindern, wird die Viskosität in der Siliziumschmelze erhöht, Verunreinigungen wie Sauerstoff, Bor und Aluminium aus dem Quarztiegel in die Schmelze und dann in den Kristall reduziert, so dass der gewachsene Siliziumkristall den kontrollierten niedrig- bis hochreichenden Sauerstoffgehalt haben kann und weniger Verunreinigungsstreifen aufweist. Die Halbleiterwachstumsvorrichtung umfasst ferner eine Magnetfeld-Anlegevorrichtung 17, die außerhalb des Ofenkörpers 1 angeordnet ist, um ein Magnetfeld an die Siliziumschmelze im Tiegel anzulegen.
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Da die Magnetfeldlinien des von der Magnetfeld-Anlegevorrichtung 17 angelegten Magnetfeldes parallel von einem Ende der Siliziumschmelze im Tiegel zum anderen Ende verlaufen (siehe den gestrichelten Pfeil in 2), liegt die von der rotierenden Siliziumschmelze erzeugte Lorentzkraft am Umfang. Die Richtungen sind unterschiedlich, so dass der Fluss und die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze in der Umfangsrichtung inkonsistent sind, wobei die Temperatur entlang der Richtung des Magnetfeldes höher ist als die in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld. Die Inkonsistenz des Flusses und der Temperatur der Siliziumschmelze äußert sich darin, dass die Temperatur der Schmelze unterhalb der Grenzfläche des Halbleiterkristalls und der Schmelze mit der Änderung des Winkels schwankt, so dass die Kristallisationsgeschwindigkeit PS des Kristalls schwankt, so dass die Halbleiterwachstumsgeschwindigkeit auf dem Umfang inkonsistent erscheint. Eine solche Ungleichförmigkeit ist für die Qualitätskontrolle des Halbleiterkristallwachstums nicht geeignet.
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Aus diesem Grund ist bei der Halbleiterwachstumsvorrichtung der vorliegenden Erfindung der Deflektor 16 entlang der Umfangsrichtung des Siliziumbarrens angeordnet, und die Unterseite des Deflektors und der Siliziumbarren weisen unterschiedliche Abstände auf.
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Entlang des Umfangs des Siliziumbarrens wird ein anderer Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren eingestellt, und der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in Richtung des Magnetfeldes ist größer als der senkrecht in Richtung des Magnetfeldes. Der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in Richtung des Magnetfeldes, wo der Abstand größer ist, strahlt die Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit mehr Wärme an den Siliziumbarren und das Innere des Deflektors ab. Bei einem kleinen Abstand strahlt die Wärme von der Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit zum Siliziumbarren und zur Innenseite des Deflektors, so dass die Temperatur der Oberfläche der Siliziumschmelzflüssigkeit bei einem größeren Abstand niedriger ist als die der Siliziumschmelze bei einem kleineren Abstand. Die Temperatur der Körperflüssigkeitsoberfläche ist stark reduziert, was das Problem ausgleicht, dass die Temperatur in Richtung der Magnetfeldanwendung aufgrund der Wirkung des angelegten Magnetfeldes auf den Fluss der Siliziumschmelze höher ist als die Temperatur senkrecht zur Richtung der Magnetfeldanwendung. Dementsprechend kann durch die Einstellung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumkristallbarren die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unterhalb der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze abgestimmt werden, so dass die durch das angelegte Magnetfeld verursacht abgestimmt werden kann. Die Schwankung der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze in Umfangsrichtung verbessert effektiv die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze, wodurch die Gleichmäßigkeit der Geschwindigkeit des Kristallwachstums und die Qualität des Kristallziehens verbessert werden.
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Währenddessen besteht entlang der Umfangsrichtung des Siliziumbarrens ein unterschiedlicher Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren, so dass bei einem größeren Abstand die Oberseite des Ofenkörpers mit dem Druck in Verbindung steht und die Flussgeschwindigkeit des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze, die durch den Deflektor zurückfließt, verringert wird und die Scherkraft des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze reduziert wird. Bei einem kleinen Abstand durchläuft die Oberseite des Ofenkörpers den Deflektor, der Druck und die Flussrate an der Position des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze steigen, und die Scherkraft des Flüssigkeitsbereichs der Siliziumschmelze nimmt zu. Dementsprechend wird durch die Einstellung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren der Fluss der Siliziumschmelze erhöht. Die Struktur wird weiter abgestimmt, um den Flusszustand der Siliziumschmelze entlang der Umfangsrichtung gleichmäßiger zu machen, was die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit und die Qualität des Kristallziehens weiter verbessert. Gleichzeitig kann durch die Änderung des Flusszustandes der Siliziumschmelze die Gleichförmigkeit der Sauerstoffgehaltsverteilung im Kristall verbessert und Defekte beim Kristallwachstum verringert werden.
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Konkret sind gemäß der vorliegenden Erfindung an der Unterseite der Innenwand des Deflektors 16 Furchen vorhanden, so dass der Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren in Richtung des Magnetfeldes größer ist als in vertikaler Richtung. Der Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren wird in Richtung des Magnetfeldes vergrößert, so dass die Wärmeableitung der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze entlang der Richtung des Magnetfeldes ebenfalls vergrößert wird und wegen des Einflusses des angelegten horizontalen Magnetfeldes auf die ungleichmäßige Temperaturverteilung der Siliziumschmelze besser abstimmbar ist. Gleichzeitig wird die Fläche der Innenwand des Deflektors durch Ausbilden von Furchen an der Innenwand des Deflektors vergrößert, so dass die Flüssigkeitsoberfläche des Siliziumbarrens die Effizienz der Wärmeableitung durch Abstrahlung von Wärme an die Innenwand des Deflektors erhöhen kann und das Kristallziehen verbessert wird. Während des Prozesses verbessert die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung auf der Ober- und Unterseite des Kristallbarrens die Qualität des Kristallziehens. Gleichzeitig wird durch das Ausbilden von Furchen an der Unterseite des Deflektors die Struktur des bestehenden Deflektors voll ausgenutzt, ohne die Deflektorstruktur neu zu konstruieren, und die technischen Effekte der vorliegenden Erfindung können realisiert und die Produktionskosten effektiv gesenkt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Querschnitt der Unterseite des Deflektorzylinders 16 kreisförmig. Der Deflektor ist in einer kreisförmigen Zylinderform angeordnet, und die Furchen sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Unterseite des Deflektors entlang der Anlegungsrichtung des Magnetfeldes angeordnet.
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Weiterhin sind die Furchen exemplarisch als bogenförmige Furche entlang der Umfangsrichtung des Deflektors angeordnet.
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Bezugnehmend auf 3 wird eine schematische Querschnittspositionsanordnung von Tiegeln, Deflektoren und Siliziumbarren in einer Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in 3 dargestellt, hat die Unterseite des Deflektors 16 die Form eines kreisförmigen Zylinders, so dass die Unterseite des Deflektors 16 ein elliptischer Ring ist, in dem entlang der Richtung des Anlegens des Magnetfeldes (in 3 durch Pfeil B dargestellt) die gegenüberliegenden Seiten des Deflektors 16 mit den Furchen 1601 und 1602 versehen sind. Die Furchen 1601 und 1602 sind auf den gegenüberliegenden Seiten der Unterseite des Deflektors 16 entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet, und die Furchen 1601 und 1602 sind bogenförmig, so dass entlang der Richtung des Magnetfeldes der Abstand zwischen der Innenwand des Deflektors 16 und dem Siliziumbarren größer ist als der Abstand zwischen der Innenwand des Deflektors 16 und dem Siliziumbarren in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld, so dass in Richtung des Magnetfeldes die Temperatur der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze schneller sinkt, um den Defekt zu kompensieren, dass die Temperatur der Siliziumschmelze entlang der Richtung des Magnetfeldes, verursacht durch das Anlegen eines horizontalen Magnetfeldes, höher ist, so dass die Temperatur der Siliziumschmelze entlang des Umfangs des Deflektors gleichmäßiger verteilt ist.
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In einem Beispiel, wie in 3 gezeigt, ist der Winkel θ zwischen der Unterseite und den Seitenwänden der Furchen 1601 und 1602 größer oder gleich 90°. Dadurch wird eine Spannungskonzentration an den Ecken der Furche vermieden und die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Innenwand des Deflektors verringert.
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Es sollte verstanden werden, dass in dieser Ausführungsform die Furchen so eingestellt sind, dass sie auf den gegenüberliegenden Seiten des Deflektors entlang der Richtung des Magnetfeldes angeordnet sind, und dass die Furchen bogenförmig eingestellt sind und der Winkel θ zwischen der Unterseite und der Seitenwand größer oder gleich 90° ist, sind rein beispielhaft, und Fachleute sollten verstehen, dass jede Furche, die an der Unterseite des Deflektors angeordnet ist, den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren in der Richtung des Anlegens des Magnetfeldes größer machen kann als in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld, um die technische Wirkung der vorliegenden Erfindung zu erzielen.
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Beispielsweise liegt die Bogenlänge der bogenförmigen Furche im Bereich von 20 mm bis 200 mm.
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Beispielsweise liegt die Tiefe der Furchen im Bereich von 2-20 mm.
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In einer Ausführungsform umfasst der Deflektor einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material, wobei eine Unterseite des äußeren Zylinders sich unter einer Unterseite des inneren Zylinders erstreckt und mit der Unterseite des inneren Zylinders verschlossen ist, um einen Hohlraum zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder zu bilden, und das wärmeisolierende Material in dem Hohlraum angeordnet ist.
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In einer Ausführungsform sind die Furchen auf der Unterseite der Innenwand des inneren Zylinders angeordnet.
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Bezugnehmend auf 4 wird ein schematisches Strukturdiagramm eines Deflektors in einer Halbleiterwachstumsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bezugnehmend auf 4 umfasst der Deflektor 16 einen inneren Zylinder 161, einen äußeren Zylinder 162 und ein wärmeisolierendes Material 163, das zwischen dem inneren Zylinder 161 und dem äußeren Zylinder 162 angeordnet ist, wobei sich eine Unterseite des äußeren Zylinders 162 unter der Unterseite des inneren Zylinders 161 erstreckt und er mit der Unterseite des inneren Zylinders 161 verschlossen ist, um einen Hohlraum zur Aufnahme des wärmeisolierenden Materials 163 zwischen dem inneren Zylinder 161 und dem äußeren Zylinder 162 auszubilden. Das Einsetzen des Deflektors in eine Struktur, die einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und ein wärmeisolierendes Material enthält, kann die Installation des Deflektors vereinfachen. Beispielsweise ist das Material des inneren Zylinders und des äußeren Zylinders aus Graphit gefertigt, und das wärmeisolierende Material umfasst Glasfaser, Asbest, Steinwolle, Silikat, Aerogel-Filz, Vakuumplatte und dergleichen.
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Die Furchen sind an der unteren Seitenwand des inneren Zylinders 161 angeordnet, um zu realisieren, dass der Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren in der Richtung des Anlegens des Magnetfeldes größer ist als der Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld. Der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze wird immer noch durch den Abstand zwischen der Unterseite des äußeren Zylinders des Deflektors und dem Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze bestimmt, um zu vermeiden, dass der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und der Siliziumschmelze durch die Existenz der Furchen verringert wird, wodurch die Änderung des Abstands zwischen der Unterseite des Deflektors und der Flüssigkeitsoberfläche der Siliziumschmelze vermieden wird, die die Temperaturverteilung der Oberfläche der Siliziumschmelze beeinflusst (im Allgemeinen ist die Unterseite des Deflektors näher am Flüssigkeitsbereich der Siliziumschmelze, je schneller die Siliziumschmelze Wärme ableitet).
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Deflektor eine Abstimmungsvorrichtung zur Abstimmung des Abstands zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren. Durch den Einsatz einer zusätzlichen Abstimmungsvorrichtung, um den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren zu verändern, kann der Herstellungsprozess des Deflektors auf der bestehenden Deflektorstruktur vereinfacht werden.
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Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 4 umfasst gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abstimmungsvorrichtung ein Einfügeelement 18, das Einfügeelement 18 umfasst einen vorstehenden Abschnitt 181 und einen Einfügeabschnitt 182, die dazu vorgesehen sind, zwischen der Unterseite des äußeren Zylinders 162 und einem unterhalb der Unterseite des inneren Zylinders 161 und der Unterseite des inneren Zylinders 161 verlängerten Abschnitt eingefügt zu werden, der vorstehende Abschnitt 181 ist innerhalb einer Außenwand der Unterseite des inneren Zylinders 161 angeordnet.
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Da der vorhandene Deflektor im Allgemeinen in einer konischen Zylinderform ausgeführt ist, die Unterseite des Deflektors in der Regel mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgeführt ist und der Deflektor so ausgeführt ist, dass er sich zwischen dem inneren Zylinder und dem äußeren Zylinder befindet, ohne die Struktur des vorhandenen Deflektors zu verändern, kann die Form der Unterseite des Deflektors flexibel abgestimmt werden, indem die Struktur und die Form des Einfügeelements abgestimmt werden, ohne die Struktur des vorhandenen Deflektors zu verändern, um den Abstand zwischen dem Deflektor und dem Siliziumbarren abzustimmen; ohne die bestehende Halbleiterwachstumsvorrichtung zu verändern, kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung durch Anordnung einer Abstimmungsvorrichtung mit einem Einfügeelement erreicht werden. Gleichzeitig kann das Einfügeelement modular hergestellt und ersetzt werden, so dass es an verschiedene Halbleiterwachstumsprozesse unterschiedlicher Größe angepasst werden kann, wodurch Kosten gespart werden.
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Gleichzeitig wird durch die Position, an der das Einfügeelement zwischen der Unterseite des äußeren Zylinders und der Unterseite des inneren Zylinders eingefügt wird, die Wärmeleitung vom äußeren Zylinder zum inneren Zylinder wirksam reduziert, die Temperatur des inneren Zylinders gesenkt und ferner die Strahlungswärmeübertragung vom inneren Zylinder zum Barren wirksam verringert. Der Unterschied zwischen dem axialen Temperaturgradienten des Zentrums und der Peripherie des Siliziumbarrens wird verringert und die Qualität des Kristallziehens wird verbessert. Beispielsweise wird für die Abstimmungsvorrichtung ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie SiC-Keramik, Quarz o.ä. verwendet.
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Beispielsweise kann die Abstimmungsvorrichtung entlang des unteren Umfangs des Deflektors angeordnet sein, wie z.B. ein elliptischer Ring mit Furchen auf dem Ring.
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Es sollte verstanden werden, dass die Einstellung der Abstimmungsvorrichtung in einem elliptischen Ring lediglich beispielhaft ist, und jede Abstimmungsvorrichtung, die in der Lage ist, den Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren abzustimmen, ist zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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Das Obige ist eine beispielhafte Einführung in die Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß der erfindungsgemäßen Halbleiterkristallwachstumsvorrichtung sind an der Unterseite der Innenwand des Deflektors Furchen vorhanden, so dass der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in Richtung des Magnetfeldes größer ist als der Abstand zwischen der Unterseite des Deflektors und dem Siliziumbarren in der Richtung senkrecht zum Magnetfeld, so dass die Temperaturverteilung der Siliziumschmelze unter der Grenzfläche zwischen dem Siliziumbarren und der Siliziumschmelze eine Rolle bei der Regelung spielt, so dass die durch das angelegte Magnetfeld verursachte Schwankung der Temperatur der Siliziumschmelze in Umfangsrichtung abgestimmt werden kann, was die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung der Siliziumschmelze wirksam verbessert, wodurch die Gleichmäßigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit und die Qualität des Kristallziehens verbessert wird. Gleichzeitig wird die Flussstruktur der Siliziumschmelze so abgestimmt, dass der Flusszustand der Siliziumschmelze entlang der Umfangsrichtung gleichförmiger wird, was die Gleichförmigkeit der Kristallwachstumsgeschwindigkeit weiter verbessert und Kristallwachstumsdefekte reduziert.
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Obgleich verschiedene Ausführungsformen gemäß den offengelegten Prinzipien oben beschrieben wurden, sollte verstanden werden, dass sie nur beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt werden. Daher sollten die Breite und der Umfang der beispielhaften Ausführungsform(en) nicht durch eine der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, sondern nur gemäß den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert werden, die sich aus dieser Offenbarung ergeben. Darüber hinaus sind die oben genannten Vorteile und Merkmale in den beschriebenen Ausführungsformen vorhanden, aber sie sollen die Anwendung derartiger ausgegebener Ansprüche nicht auf Prozesse und Strukturen beschränken, die einen oder alle der oben genannten Vorteile erreichen.
