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Gegenstand der Erfindung ist ein
Einkristall aus Silicium und ein Verfahren zu dessen Herstellung,
wobei der Einkristall aus einer Schmelze nach der Czochralski-Methode
gezogen wird. Diese Methode ist lange bekannt und wird in industriellem Maßstab eingesetzt,
um Halbleiterscheiben zu erzeugen, die wiederum das Grundmaterial
für die
Herstellung elektronischer Bauelemente sind.
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Es ist weiterhin bekannt, dass die
Herstellung von Einkristallen, die einen Durchmesser von 200 mm
oder größer haben,
eine besondere Herausforderung darstellt, insbesondere, weil es
große Schwierigkeiten
bereitet, die radialen Kristalleigenschaften in einem möglichst
engen Bereich gezielt einzustellen. Im Wesentlichen betrifft das
die Konzentration von Fremd- oder Dotierstoffen und Kristalldefekten
beziehungsweise deren Agglomerate. Die radialen Kristalleigenschaften
werden im wesentlichen durch die thermischen Verhältnisse
an der Erstarrungsfront und den dort vorliegenden Stoffkonzentrationen
bestimmt. Wärmequellen
sind die eingesetzten Heizer und die bei der Erstarrung abgegebene
Kristallisationswärme.
Letztere bewirkt beispielsweise bei einem Einkristall aus Silicium
mit einem Durchmesser von 300 mm bei einer Ziehgeschwindigkeit von
0.4 mm/min bereits etwa 2 kW zusätzliche
Wärmeleistung
an der Erstarrungsfront. Neben der direkten Strahlung und Wärmeleitung
sind die von den Schmelzenströmen
vermittelten Wärmetransporte
von wesentlicher Bedeutung. Die Wärmeabfuhr im Bereich der Erstarrungsfront
wird maßgeblich
von der abgestrahlten Wärme
und der Wärmeableitung
im Einkristall bestimmt. Insgesamt lässt sich der Wärmehaushalt
daher durch den Aufbau der Ziehanlage, das heißt über die geometrische Anordnung der
wärmeleitenden
Teile, der Wärmeschilder
und durch zusätzliche
Wärmequellen
einstellen. Es tragen jedoch auch die Prozessbedingungen wie beispielsweise
Wachstumsgeschwindigkeit, Druck, Menge, Art und Führung von
Spülgasen
durch die Ziehanlage wesentlich zur Wärmebilanz bei. Mit einer Erhöhung des
Druckes oder der Spülgasmenge wird
beispielsweise eine Temperaturverringerung erreicht. Größere Ziehgeschwindigkeiten
steigern die erzeugte Kristallisationswärme.
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Die wärmetransportierenden Schmelzenströme einzustellen
erweist sich häufig
als schwierig, da eine vollständige
theoretische Vorausberechnung sehr kompliziert ist. Die Schmelzenströme sind
abhängig
von Betrag und Richtung der Drehungen des Tiegels und des Einkristalls.
Eine gleichsinnige Drehung ergibt beispielsweise ein völlig anderes
Konvektionsmuster als eine Gegensinnige. In der Regel wird eine
gegensinnige Drehung. bevorzugt, die im Vergleich zu weniger sauerstoffreichem
Material führt und
stabiler über
die gezogene Länge
des Einkristalls ist. Die Schmelzenströme können auch durch die Kraftwirkung
von angelegten elektromagnetischen Feldern beeinflusst werden. Statische
Magnetfelder werden zur Verlangsamung verwendet, während dynamische
Felder sowohl Betrag als auch Richtung der Schmelzenströme gezielt ändern und
erhöhen können.
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Die radiale Temperaturverteilung
im Erstarrungsbereich des Einkristalls wird wesentlich durch die
am Rand abgestrahlte Wärme
bestimmt. Deshalb beobachtet man in der Regel einen viel stärkeren Temperaturabfall
am Rand des Einkristalls, als in dessen Zentrum. Der axiale Temperaturabfall
wird meistens mit G (axialer Temperaturgradient) bezeichnet. Seine
radiale Variation G(r) bestimmt ganz wesentlich die Kristalleigenpunktdefektverteilung
und damit auch die weiteren Kristalleigenschaften. Die sich aus
dem Wärmehaushalt
ergebende radiale Änderung
des Temperaturgradienten G wird in der Regel aus numerischen Simulationsrechnungen
bestimmt. Zur Kontrolle der Berechnungen werden dazu axiale Längsschnitte
des Einkristalls erstellt und durch geeignete Präparationsmethoden der radiale Verlauf
der Erstarrungsfront sichtbar gemacht. In der Regel zeigt sich eine
deutlich nach oben durchgebogene Erstarrungsfront. Ein flachere
Form deutet auf einen homogeneren Temperaturgradienten hin. Die radiale
Variation des Temperaturgradienten kann aus dem Verhalten der radialen
Kristalldefektverteilung für
verschieden Wachstumsgeschwindigkeiten genauer abgeleitet werden.
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Im Hinblick auf die Entstehung von
Kristalldefekten ist das Verhältnis
v/G(r) von herausragender Bedeutung, wobei G(r) der axiale Temperaturgradient
an der Erstarrungsfront des Einkristalls in Abhängigkeit von der radialen Position
im Einkristall und v die Geschwindigkeit ist, mit der der Einkristall
aus der Schmelze gezogen wird. Liegt das Verhältnis v/G über einem kritischen Wert k1,
so treten überwiegend Leerstellendefekte
(vacancies) auf, die agglomerieren können und dann beispielsweise
als COPs (crystal originated particles) identifiziert werden können. Sie
werden je nach Nachweismethode gelegentlich auch als LPD (light
point defects) oder LLS bezeichnet. Aufgrund des meist abfallenden
radialen Verlaufes von v/G treten die COPs am häufigsten im Zentrum des Einkristalls
auf. Im allgemeinen haben sie Durchmesser von etwa 100 nm und können bei
der Bauelementeherstellung Probleme bereiten. Größe und Anzahl der COPs bestimmen
sich aus der Ausgangskonzentration, den Abkühlraten und der Anwesenheit
von Fremdstoffen bei der Agglomeration. Die Anwesenheit von Stickstoff
führt beispielsweise
zu einer Verschiebung der Größenverteilung
zu kleineren COPs mit größerer Defektdichte.
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Liegt das Verhältnis von v/G unter einem kritischen
Wert k2, der kleiner als k1 ist, so treten überwiegend Siliciumeigenpunktdefekte
in Form von Zwischengitteratomen (silicon selfinterstitials) in
Erscheinung, die ebenfalls Agglomerate bilden können und sich makroskopisch
als Versetzungsschleifen zeigen. Diese werden häufig als A-Swirl, die kleinere
Form als B-Swirl, oder kurz aufgrund ihrer Erscheinung als Lpit-Defekte
(large etch pits) bezeichnet. In ihrer Größe liegen Lpits im Bereich
von über
10 μm. In
der Regel können
selbst epitaktische Schichten diese Defekte nicht mehr fehlerlos überdecken.
Auch diese Defekte können
daher die Ausbeute bei Bauelemente beeinträchtigen.
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Im weitesten Sinne wird der Bereich,
in dem weder eine Agglomeration von Leerstellen noch von Zwischengitteratomen
stattfindet, in dem also v/G zwischen k1 und k2 liegt, als neutrale
Zone oder perfekt bezeichnet. Man unterscheidet jedoch weiter einen
Bereich, in dem sich noch freie nicht agglomerierte Leerstellen
befinden, und ein von Zwischengitteratomen bestimmtes Gebiet. Der
Leerstellenbereich, auch v-Gebiet (vacancies) genannt, zeichnet sich
dadurch aus, dass bei genügend
hohem Sauerstoffgehalt des Einkristalls dort sauerstoffinduzierte Stapelfehler
entstehen, während
der i-Bereich (interstitials) völlig
fehlerfrei bleibt. Im engeren Sinne ist daher nur das i-Gebiet ein wirklich
perfekter Kristallbereich.
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Große Sauerstoffausscheidungen
mit einem Durchmesser von über
etwa 70 nm können
als sauerstoffinduzierte Stapelfehler (OSF) sichtbar gemacht werden.
Dazu werden die aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheiben
durch eine spezielle Temperaturbehandlung präpariert, die als feuchte Oxidation
bezeichnet wird. Das Größenwachstum der
beim Kristallwachstumsprozess entstandenen Sauerstoffpräzipitate,
die gelegentlich auch als as grown BMD (bulk micro defects) bezeichnet
werden, wird durch die Leerstellen des Siliciumgitters gefördert. Daher
findet man OSF nur im v-Bereich.
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Praktisch defektfrei wird der Einkristall,
wenn es gelingt, die Ziehbedingungen so einzustellen, dass der radiale
Verlauf der Defektfunktion V/G(r) innerhalb der kritischen Grenzen
der COP- oder Lpit-Bildung
liegt. Das ist jedoch insbesondere dann nicht einfach zu realisieren,
wenn Einkristalle mit einem vergleichsweise großen Durchmesser gezogen werden,
weil dann der Wert von G deutlich vom Radius abhängt. In diesem Fall ist der
Temperaturgradient am Kristallrand aufgrund von Wärmestrahlungsverlusten
sehr viel höher
als im Zentrum.
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Der radiale Verlauf der Defektfunktion
v/G(r) beziehungsweise des Temperaturgradienten G(r) führt dazu,
dass auf einer, aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheibe,
mehrere Defektbereiche vorhanden sein können. Im Zentrum treten bevorzugt
COPs auf. Die Größenverteilung
der agglomerierten Leerstellen ergibt sich aus der Abkühlrate des
Einkristalls im Bereich der Erstarrungsfront. Durch eine hohe Abkühlrate oder
mittels Stickstoffdotierung der Schmelze kann die Größenverteilung
der COPs von wenigen großen
zu vielen kleinen, weniger störenden
COPs gezielt verändert
werden. An das COP-Gebiet schließt sich der sauerstoffinduzierte Stapelfehlerkranz
(OSF) an, als Ergebnis der Wechselwirkungen von Siliciumleerstellen
und Sauerstoffausscheidungen. Nach außen folgt ein völlig defektfreies
Gebiet, das wiederum von einem Bereich mit Kristalldefekten bestehend
aus Siliciumzwischengitteragglomeraten (LPITs) begrenzt wird. Am
Rand des Einkristalls diffundieren die Zwischengitteratome abhängig von
den thermischen Verhältnissen
aus, sodass dort wiederum ein zentimeterbreiter, defektfreier Ring
entstehen kann.
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Die auftretenden Kristalldefektbereiche
im Zusammenhang mit dem radialen v/G-Verlauf sind bei Eidenzon/Puzanov
in Inorganic Materials, Vol. 33, No3, 1997, pp. 219–255 ausführlich dargestellt.
In diesem Beitrag wird auch bereits auf Möglichkeiten verwiesen, defektfreies
Material herzustellen. Dabei wird sowohl auf die notwendigen Abkühlraten
im Temperaturbereich der Agglomeration, auf die Einflussnahme mittels
Stickstoffdotierung und auf Methoden wie der oszillierenden Wachstumsgeschwindigkeit
verwiesen. Bis zu einem gewissen Grad kann eine Homogenisierung
von v/G(r) über
den Kristalldurchmesser durch den Einsatz von passiven oder aktiven
Hitzeschildern in Bereich der Erstarrungsfront erreicht werden,
wie es beispielsweise in der Patentliteratur
EP 866150 B1 oder
US 6153008 dargestellt wurde.
Jedoch wird die Homogenisierung des Temperaturgradienten mit diesen
Methoden bei großen
Einkristallen immer schwieriger.
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In Anbetracht der bisherigen Kenntnisse stellt
sich, insbesondere im Hinblick auf Kristalldurchmesser von 200 mm
und größer, die
Herausforderung, neue wirtschaftliche Methoden zur Einstellung der
erforderlichen Wachstumsbedingungen zu finden, damit das vom Kunden
verlangte Defektprofil erhalten wird. Halbleiterscheiben, die nur
COPs, insbesondere solche mit einer vorgegebenen Größen- und Dichteverteilung
aufweisen und Halbleiterscheiben, die keine Agglomerate von Punktdefekten
haben, sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse. Aber
auch Halbleiterscheiben mit Stapelfehlerkranz (ring-wafer), mit beiden
oder mit nur einem Punktdefekttyp können vom Kunden spezifiziert
sein. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, die Wachstumsbedingungen
so einzustellen, dass möglichst
viele Halbleiterscheiben mit den spezifizierten Defekteigenschaften
vom Einkristall abgetrennt werden können.
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Die gezielte Steuerung des radialen
Verlaufes des axialen Temperaturgradienten G(r) an der Erstarrungsfront
und der Wachstumsgeschwindigkeit v ermöglicht es nicht nur, bestimmte
Defektverteilungen im Einkristall einzustellen. Da der Einbau von Sauerstoff
und Dotierstoffen in den Einkristall ebenfalls stark von der Wachstumsgrenze
abhängt,
lassen sich durch eine gezielte Steuerung des Temperaturgradienten
auch radiale Variationen von Dotierstoff- und Sauerstoffverteilungen
reduzieren.
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Eine Möglichkeit für eine solche Steuerung bietet
die Anwendung von Magnetfeldern während des Ziehens des Einkristalls,
weil mit Magnetfeldern Einfluss auf die Strömungsverhältnisse in der Schmelze und
damit auf den Temperaturhaushalt, insbesondere im Bereich der Erstarrungsfront
genommen werden kann. Beschreibungen finden sich zur Anwendung von
statischen Magnetfeldern (horizontale, vertikale und CUSP Magnetfelder),
ein- oder mehrphasigen Wechselfeldern, rotierenden Magnetfeldern
und magnetischen Wanderfeldern. Gemäß den Patentanmeldungen
EP-1225255 A1 und
US-2002/0092461 A1 wird
beispielsweise ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt, um den Einbau
von Sauerstoff in den Einkristall kontrollieren zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem die Konzentration
von Eigendefekten und von Fremdstoffen wie Sauerstoff und Dotierstoff
in radialer Richtung gezielt und in einem engen Bereich einstellbar ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silicium durch Ziehen
des Einkristalls gemäß der Czochralski-Methode
aus einer Schmelze, die in einem sich drehenden Tiegel vorgehalten
wird, das dadurch gekenn zeichnet ist, dass in der Schmelze im Bereich
einer Erstarrungsfront eine Temperaturverteilung bewirkt wird, die
von der Rotationssymmetrie abweicht.
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In der konventionellen Czochralski-Methode werden
symmetrische physikalische Bedingungen eingehalten, das heißt, die
Schmelzenströme
und die Temperaturverteilung folgen der rotationssymmetrischen Anordnung
beim Kristallziehen.
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Die Erfinder des nachstehend beschriebenen
Verfahrens haben herausgefunden, dass eine gezielte Störung der
Rotationssymmetrie des Temperaturfeldes in der Schmelze, insbesondere
im Bereich der Erstarrungsfront, eine auf den axialen Temperaturgradienten
G(r) und die Stoffkonzentrationen von Sauerstoff und Dotierstoffen
vergleichmäßigende
Wirkung über
den Kristalldurchmesser hat. Diese Wirkung äußert sich beispielsweise auch
darin, dass die Krümmung
der Erstarrungsfront wesentlich geringer ist, als das im Fall eines
rotationssymmetrischen Temperaturfeldes zu beobachten ist.
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Erfindungsgemäß wird dies zur Herstellung von
Einkristallen ausgenützt,
deren Konzentrationen an Defekten, Sauerstoff und Dotierstoffen
in radialer Richtung in einem engen Toleranzbereich liegen, wobei
diese Konzentrationen unter Berücksichtigung der
v/G-Beziehung gezielt eingestellt werden können.
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Gegenstand der Erfindung ist daher
auch ein Einkristall aus Silicium, der über eine Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
ein einheitliches Defektbild und enge radiale Dotierstoff- und Sauerstoffvariationen
besitzt. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind ein Einkristall,
der über
eine Stablänge
von über
10 Prozent der Gesamtstablänge auf
60 Prozent der Querschnittsfläche
oder mehr frei von agglomerierten Eigenpunktdefekte ist, ein Einkristall,
der über
eine Stablänge
von über
10 Prozent der Gesamtstablänge
nur agglomerierte Leerstellen enthält, und ein Einkristall, der über eine
Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
nur agglomerierte Zwischengitteratome enthält. Die Einkristalle besitzen darüber hinaus
vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 200 mm und weisen vorzugsweise
radiale Dotierstoffvariationen von unter 10% über eine Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
und radiale Sauerstoffvariationen von unter 10% über eine Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
des Verfahrens wird ein, an die Schmelze angelegtes Magnetfeld,
vorzugsweise ein magnetisches Wanderfeld (traveling field), teilweise abgeschirmt,
so dass die Rotationssymmetrie der Feldlinien in Bezug auf die Rotationsachse
des Tiegels gebrochen wird. Eine Wirkung auf die Temperaturverteilung
im Bereich der Erstarrungsfront haben insbesondere die Form und
das Material der eingesetzten Abschirmung, die Amplitude und die
Frequenz des Magnetfelds und die Tiegeldrehung.
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Als magnetische Abschirmung können metallische
Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Kupferplatten mit
einer Dicke von einem bis mehreren Zentimetern, welche innerhalb
der Magnetspulen angeordnet sind. Die Eindringtiefe von dynamischen
Magnetfeldern ist von der verwendeten Frequenz abhängig. Es
werden daher Frequenzen von 10 Hz bis etwa 1000 Hz eingesetzt. Bei
der Verwendung von magnetischen Wanderfeldern mit teilweiser Abschirmung
in Form von rechteckigen Kupferplatten ist eine Frequenz im Bereich
von 30 Hz besonders geeignet. Die Stärke des Magnetfeldes bestimmt
ebenfalls dessen Wirkung. Es werden für die Erzeugung von Wechselfeldern
Stromstärken
von vorzugsweise bis zu 500 A bei bis zu 50 Spulenwindungen benutzt.
Hohe Tiegeldrehungen, insbesondere Drehungen von 3 U/min und höher reduzieren den
Einfluss des Magnetfeldes, d.h. die gewünschte nichtrotationssymmetrische
Wirkung auf die Schmelzenströme
nimmt dann deutlich ab. Zu Berücksichtigen
ist ferner auch die jeweils im Tiegel vorliegende Schmelzenmenge,
weil sich davon abhängig
verschiedene Schmelzenstrommuster ausbilden können. Die notwendigen Bedingungen,
das heißt
das Verhältnis
von Magnetfeld, Abschirmung und Ziehprozessparameter, wie beispielsweise
der Tiegeldrehung werden durch Experiment und abschätzenden Simulationsrechnungen
jeweils näher
bestimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird der Einkristall außeraxial gezogen, mit anderen
Worten, beim Ziehen des Einkristalls liegen die Rotationsachsen
von Einkristall und Tiegel nicht deckungsgleich, was zu ähnlichen
vorteilhaften Ergebnissen insbesondere was die Verringerung der radialen
Variationen der Fremd- oder Dotierstoffkonzentrationen führt. Allerdings
sind bei dieser Ausführungsform
die im Ziehprozess steuerbaren Eingriffsmöglichkeiten begrenzt. In einzelnen
Versuchen konnten die radialen Variation insbesondere des Sauerstoffgehaltes
um bis zu ein Prozent verbessert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Figuren weiter erläutert.
In 1 ist das konventionelle
Kristallziehverfahren schematisch dargestellt. Im Vergleich dazu
wird in 2 die Anordnung
für außeraxiales
Kristallziehen gemäß der zweiten
Ausführungsform
des Verfahrens dargestellt. 3 zeigt eine
für den
Stand der Technik typische rotationssymmetrische Anordnung, bei
der ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt wird. Die Anordnung gemäß 4 unterscheidet sich davon
durch eine zusätzlich vorgesehene
magnetische Abschirmung, die die rotationssymmetrischen Verhältnisse
bricht. 5 zeigt eine
bevorzugte Anordnung mit zwei geteilten magnetischen Abschirmungen.
In 6 bis 10 sind Ergebnisse von Messungen
und von Simulationsrechnungen wiedergegeben, die die vorteilhaften Wirkungen
der Erfindung verdeutlichen.
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In 1 ist
das konventionelle Kristallziehverfahren schematisch dargestellt.
Es zeigt die Anordnung von Einkristall 1, Erstarrungsfront 2,
Tiegel, Schmelzenströme 3 und
Tiegelheizung 4. Im Vergleich dazu ist in 2 eine Anordnung für außeraxiales Kristallziehen gemäß der zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt, verdeutlicht durch die unterschiedliche Lage von Tiegeldrehachse 5 und
Kristalldrehachse 6. Drehachsenabstände von über einen Zentimeter führen bereits
zu deutlich veränderten,
nicht mehr rotationssymmetrischen Verhältnissen an der Erstarrungsfront.
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In den nachfolgenden Abbildungen
ist die Erfindung am Beispiel eines angewendeten magnetischen Wanderfeldes
erläutert.
Die jeweils schematisch dargestellten Schmelzenströme resultieren
aus begleitenden Simulationsberechnungen. 3 zeigt eine für den Stand der Technik typische
rotationssymmetrische Anordnung unter Verwendung eines magnetisches
Wanderfeldes, aufgrund der Kraftwirkung auf die Schmelzströme auch
als TMF- bezeichnet, umfassend einem Einkristall 1, eine
Erstarrungsfront 2 und einen Heizer 4. Die Wirkung
des magnetisches Wanderfeldes, welches durch Magnetspulen 8 erzeugt
und mit magnetischen Feldlinien 7 verdeutlicht ist, zeigt
sich in den resultierenden Schmelzenströmen 3. Die Anordnung
gemäß 3 mit einem axial aus einem
Tiegel gezogen Einkristall 1, konzentrisch zum Einkristall
und dem Tiegel liegender Tiegelheizung 4 und magnetischer
Einrichtung 8 erzeugt einen konventionell benutzten Schmelzenfluss 3 und ist
typisch für
die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren. Die schematisch
dargestellten magnetischen Spulen 8 haben eine Windungszahl
von bis zu 50 und können
elektrische Ströme
bis zu 500 A führen
bei einem Spulendurchmesser über
500 mm.
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4 repräsentiert
eine Anordnung zur Durchführung
der bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens und weist deshalb im Vergleich zur Anordnung gemäß 3 zusätzlich eine magnetische Abschirmung 9 auf,
die die rotationssymmetrischen Verhältnisse bricht. Es stellen
sich völlig
veränderte wärmetransportierende
Schmelzenströme 3 ein,
die beispielsweise zu einer deutlichen Abflachung der Erstarrungsfront 2 führen und
zur radialen Homogenisierung des Temperaturgradienten G(r) benutzt werden
können.
Die verwendete metallische Abschirmung führt dazu, dass die Rotationssymmetrie
des auf die Schmelze und den Einkristall wirkenden Magnetfelds verloren
geht und ein asymmetrisches magnetisches Wanderfeld resultiert (ATMF-),
welches den von der Rotationssymmetrie abweichenden Schmelzenfluss 3 bewirkt.
Simulationsrechnungen weisen darauf hin, dass zwei oder mehrere Abschirmungen,
die insgesamt bis zu 2/3 der dem Einkristall zugewandten Magnetspulenfläche abschirmen
und symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind, noch deutlich
günstigere
Schmelzenströme
erzeugen, so dass eine hervorragende Homogenisierung des Temperaturgradienten
G(r) an der Erstarrungsfront zu erwarten ist. In 5 ist zur Veranschaulichung eine besonders
bevorzugte Anordnung mit zwei geteilten magnetischen Abschirmungen 9 und 10,
die zwischen der magnetfelderzeugenden Einrichtung 8 und
dem Tiegel angebracht sind dargestellt.
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Beispiele:
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Im Nachfolgenden wird anhand von
Beispielen die Wirkung erfindungsgemäßer Anordnungen im Vergleich
zu konventionellen Anordnungen näher
erläutert.
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6 zeigt
den axialen Längsschnitt
eines Einkristalls, der unter konventionellen Bedingungen mit rotationssymmetrischen
magnetischen Wanderfeld, entsprechend der in 3 dargestellten Anordnung, gezogen wurde.
Aus im Längsschnitt
dargestellten Lebensdauermessungen (lifetime measurement μPCD) wird
der stark gekrümmte
radiale Verlauf der Erstarrungsfront 11 sehr deutlich.
In 7 ist zum Vergleich
eine Lebensdauermessung dargestellt, die die Wirkung einer teilweisen
Abschirmung eines magnetischen Wanderfelds deutlich macht. Bei der
Kristallherstellung wurde eine in 4 schematisch
dargestellte Anordnung mit asymmetrischem Wanderfeld (ATMF-) benutzt,
bei im übrigen
gleichen Kristallziehbedingungen. Die am Längsschnitt des Einkristalls
gemessene Lebensdauer weist im Unterschied zu 6 eine viel geringere Krümmung der Erstarrungsfront
auf. Die flachere Erstarrungsfront, deutlich gemacht in der hervorgehobenen
Kurve 12, lässt
auf eine Vergleichmäßigung des
axialen Temperaturgradienten G(r) im Bereich der Erstarrungsfront
schließen.
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In 8 sind
die Resultate mehrerer Lebensdauermessungen zusammengefasst, um
die verschiedenen Krümmungsverläufe der
Erstarrungsfront (solidification interface) von symmetrischen Wanderfeld
(TMF-) und asymmetrischen Wanderfeld (ATMF-) in der Anordnung wie
sie in 3 beziehungsweise 4 schematisch dargestellt
wurden, gegenüber
zu stellen.
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Aus den Untersuchungsergebnissen
wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen, der in 9 dargestellte radiale Verlauf des axialen
Temperaturgradienten abgeschätzt.
Analog zur flacheren Erstarrungsfront ist eine Homogenisierung des
Temperaturgradienten und damit von v/G(r) zu erwarten. Die flachere
Erstarrungsfront macht sich auch in der radialen Verteilung der
Fremdstoffe, insbesondere der Sauerstoffkonzentration bemerkbar.
Die statistische Gegenüberstellung
von radialen Sauerstoffvariationen (radial oxygen variations) in 10 von Einkristallen gezogen
unter symmetrischen Wanderfeld (TMF-) und asymmetrischen Wanderfeld
(ATMF-) weist auf einen gleichmäßigeren
Einbau des Sauerstoffes über
den Durchmesser des Einkristalls bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung hin.