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Querverweise zu verwadten
Anmeldungen:
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Gebiet der Erfindung
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Quarzschmelztiegel zur Verwendung
in der Halbleiterindustrie zum Ziehen von Silizium-Einkristallen
und ein Verfahren zur Reduktion der Konzentration der oberflächennahen
Blasen in Quarzschmelztiegeln, die zur Züchtung von Silizium-Einkristallen benutzt
werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Einkristall-Silizium,
welches das Ausgangsmaterial für
die Herstellung der meisten elektronischen Halbleiterkomponenten
ist, wird gemeinhin durch das sogenannte Czochralski(„Cz")-Verfahren hergestellt.
Bei der Anwendung des Cz-Verfahrens
wird die Kristallzüchtung
meistens in einem Kristall-Ziehofen ausgeführt, wobei polykristallines
Silizium („Polysilizium") in einen Schmelztiegel
gegeben und durch eine die Außenflächen der
Schmelztiegelseitenwand umgebende Heizung geschmolzen wird. Mit
dem geschmolzenen Silizium wird ein Kristallkeim in Berührung gebracht
und durch Extraktion durch eine Kristall-Zieheinrichtung wird ein Einkristallblock
gezogen.
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Bei
konventionellen Kristall-Zieheinrichtungen verwendete Schmelztiegel
werden wegen ihrer Reinheit, ihrer Temperaturbeständigkeit
und ihrer chemischen Widerstandsfähigkeit gemeinhin aus Quarz
gefertigt. Ein Verfahren zur Herstellung von Quarzschmelztiegeln
ist in der US-Patent-Nr. 4,416,680 beschrieben, wonach ein Quarzrohmaterial
in eine rotierende Hohlform eingeführt wird. Nach Einführung des
Rohmaterials wird eine Wärmequelle,
wie bspw. ein elektrischer Bogen, in die Schmelzform eingeführt, der
den Quarz schmilzt. Gleichzeitig mit der Heizung wird an die Außenseite
der Schmelzform während
kontinuierlicher Rotation ein Vakuum eingelegt, um alle eingelagerten
Gase mit dem Ziel abzuziehen, die Zwischenräume kollabieren zu lassen.
Das Vakuum wird während
des Schmelzens und des Drehens aufrechterhalten. Danach kann der
fertig gestellte Schmelztiegel ausgestoßen werden, indem das Vakuum
durch von der Außenseite
der Schmelzform her wirkende Druckluft ersetzt wird. Bei dem Verfahren
können
Restgase wie bspw. Karbon, Hydroxidgruppen und Ähnliches in dem Quarzglas unerwünschte Blasen
verursachen.
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Bei
dem Kristall-Ziehvorgang führt
die lange Exposition der inneren Schmelztiegelseitenwand mit der heißen Siliziumschmelze
zu einer Reaktion der Siliziumschmelze mit dem Quarztiegel und führt zu der
Auflösung
der Innenfläche
der Schmelztiegelwand. Dieses setzt die Blasen in der Schmelztiegelseitenwand
dem geschmolzenen Silizium aus. Im Ergebnis setzt die Siliziumschmelze
die Auflösung
der Schmelztiegelwand fort und löst
infolgedessen die Wände
der Blasen auf. An einem gewissen Punkt angelangt, werden die Wände der
Blasen durchbrochen und die Wände
können
einfallen, wobei gleichzeitig die Gase aus den Blasen und Quarzpartikel
aus dem Schmelztiegel und/oder der Blasenseitenwand in die Schmelze
freigesetzt werden. Dabei können
die Partikel die einkristal line Struktur zerstören, was die Ergiebigkeit bei
dem Ziehen des Einkristalls beschränkt. Außerdem kann das Vorhandensein
von Blasenhohlräumen
oder Blasenleerräumen
an der Innenseite des Schmelztiegels Keime zur Gasnukleation bilden.
Wenn Gase nukleieren und zu kleinen Blasen werden, können diese
Blasen ihren Weg in den wachsenden Siliziumkristall finden und zu
Hohlräumen
in den Kristallen führen,
die dann nicht spezifikationsgerecht sind. Die Reduktion oder Beseitigung
der Blasen in dem Schmelztiegel stellt sicher, dass Fehlstellen
in dem Kristall minimiert werden und innerhalb der Spezifikationen eine
akzeptable Kristallqualität
erhalten wird.
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Es
gibt verschiedene Ansätze,
um das Problem der Blasen in den Schmelztiegelwänden zu lösen. Die US-Patent-Nr. 4,935,046
und 4,956,208 empfehlen die Ablagerung einer SiCl
4-Schicht an der Schmelztiegeloberfläche durch
chemische Dampfphasenablagerung. Die US-Patentanmeldung Nr. 20020166341
lehrt die Durchleitung eines schnell diffundierenden Gases, wie
bspw. Helium oder Wasserstoff durch den Quarzsand, um die in den
Hohlräumen,
die der Quarzsand bildet, vorhandene Restgase auszutreiben. Das
US-Patent-Nr. 6,187,079 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
eins Quarzschmelztiegels mit einer wolframdotierten Schicht für einen
Schmelztiegel, die sich ähnlich
wie eine blasenfreie Schicht verhält. Die Dotierung wird erhalten
durch eines von Folgendem: a) eine Wolfram-Dampfquelle, um Wolfram
in die Innenfläche
des Schmelztiegels diffundieren zu lassen, b) die Applikation einer
Lösung
einer Wolframverbindung in einem organischen Lösungsmittel oder c) Mischung
einer Prekursor-Lösung
aus Wolfram in Siliziumoxid für
eine Schicht von wenigstens PPBA an der Innenfläche des Schmelztiegels. Die
Patentanmeldung Nr.
EP
692 461 A1 offenbart ein abweichendes Verfahren zur Herstellung
eines Quarzschmelztiegels, der frei von Ansammlungen feiner Blasen
ist und eine hohe Reinheit hat und in dem die Menge von Kupfer,
Chrom und Nickel in dem zugeführten
SIO
2-Material auf 0,5 PPB oder weniger,
Eisen auf 120 PPB oder weniger und Natrium auf 20 PPB oder weniger
begrenzt wird.
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Es
wird noch immer gewünscht,
die Blasen unter Kontrolle zu bringen/die Blasenstabilität in Quarzschmelztiegeln
zu verbessern, die für
den Kristallzüchtungsprozess
Anwendung finden.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren um Blasen unter Kontrolle zu bringen
bzw. die Blasenstabilität
in Quarzschmelztiegeln zu verbessern, indem der Schmelztiegel mit
Elementen und Verbindung dotiert wird, die a) mit Sauerstoff und
Stickstoff bei oder nahe der Schmelztemperatur des Quarzes reagieren
und b) Verbindungsformen, die bei Temperaturen oberhalb 1500°C thermisch
und in SIO2-Umgebung chemisch stabil sind.
Nach einer Ausführungsform
ist nur die Innenschicht des Schmelztiegels dotiert.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Elemente und Verbindungen aus der Gruppe
ausgewählt,
die aus folgendem besteht: Aluminium, Titan, Chrom, Eisen, Zink,
Molybdän,
Magnesium Kalzium, Skandium, Yttrium, Lanthan, Zirkon, Hafnium,
Cer, Vanadium, Niob, Tantal, deren Suboxide und Subnitride.
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Gegenstand
der Erfindung ist des Weiteren ein Quarzschmelztiegel, der mit Elementen
und Verbindungen dotiert ist, die: a) mit Sauerstoff, Stickstoff,
Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bei oder nahe bei der Schmelztemperatur
von Quarz reagieren und b) Verbindungen bilden, die bei Temperaturen
oberhalb 1400°C thermisch
und in SiO2-Umgebung chemisch stabil sind.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung weist der Quarzschmelztiegel einen äußeren Schichtabschnitt oder
eine Schicht undotierten kristallinen Quarzes und eine innere Auskleidung
auf, die aus synthetischen oder natürlichen kristallinen Quarz
besteht, wobei nur die Innenschicht des Quarzschmelztiegels dotiert
ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist der Quarzschmelztiegel oder seine Innenschicht mit
Tantalpulver dotiert, das eine Größe von ungefähr 50 Mikrometer
(μm) oder
weniger hat, um eine Dotierungskonzentration von ungefähr 50 bis
500 PPMW zu erhalten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Ausbildung
eines dotierten Quarzschmelztiegels gemäß der vorliegenden Erfindung
geeignet ist.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Anmelder haben einen neuartigen Prozess zur Kontrolle und Verbesserung
der Blasenstabilität
in Quarzschmelztiegeln entwickelt, wozu im Stand der Technik bekannter
Apparaturen genutzt werden.
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Wie
hier verwendet, werden die Begriffe Sandmasse, synthetischer Sand,
Siliziumoxidkorn, synthetisches Siliziumoxidkorn, natürlicher
Quarz, Quarzsand und Siliziumdioxid synonym verwendet, um die kristallinen
Quarzrohmaterialien (aus synthetischen oder natürlichen Quellen) zur Ausbildung
geschmolzener Quarzschmelztiegel zu benennen. Die Rohmaterialien
können
von einer Korngröße sein,
die von 10 bis 500 Mikrometer mit einer durchschnittlichen Grobkorngröße von ungefähr 200 Mikrometer
geht. Die Rohmaterialien können
außerdem
Materialien, wie bspw. Alkalimetalle, Alkalierdmetalle, Siliziumoxidbrocken,
Siliziumoxidsand, α-Quarz,
Kristobalite und Ähnliches,
enthalten.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat der Quarzschmelztiegel eine Außenschicht aus
Quarzglas und eine Innenschicht eines abweichenden Quarzglasmaterials,
bspw. einer Außenschicht
aus natürlichem
Quarzmaterial und einen Innenschicht aus synthetischem Quarzmaterial.
In einer anderen Ausführungsform
besteht der Schmelztiegel aus dem gleichen Material, das durch Schmelzen
und Gießen
von Quarzmaterial entweder synthetischen oder natürlichen
Quarz unter Nutzung von Lichtbogenheizung erhalten wird.
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Der
hier verwendete Begriff „Innenschicht" bezieht sich auf
den Innenflächenbereich
eines Quarzschmelztiegels oder die Schicht, die mit einem geschmolzenen
Halbleitermaterial in Berührung
stehen würde, das
zum Ziehen von kristallinen Halbleitermaterial benutzt würde, wie
bspw. bei der Siliziumkristallzüchtung. Die
Innenschicht kann die innere Schicht eines einlagigen Quarzschmelztiegels
(die mit dem geschmolzenen Halbleitermaterial in Kontakt steht)
oder die Innenschicht eines Schmelztiegels sein, der wenigstens
zwei oder mehrere unterschiedliche Schichten aus unterschiedlichen
Quarzmaterialien oder Zusammensetzungen hat.
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Die
Anmelder haben herausgefunden, dass durch Dotierung der Innenschicht
des erfindungsgemäßen Schmelztiegels
mit gewissen ausgewählten
Materialien die Materialien mit den Restgasen in den Blasen, wie
bspw. Stickstoff und Sauerstoff, reagieren und somit die Gase in
den Blasen aufzehren und diese bei dem Schmelzprozess auslehren.
Dies ermöglicht
es, effizient die Blasen zu kollabieren oder diese kollabieren zu lassen.
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Die
Dotierungsmaterialien sind so ausgewählt, dass die gebildeten Nitride
und Oxide in den Temperaturbreichen stabil sind, in denen die Schmelztiegel
hergestellt werden und/oder bei den Temperaturen, bei denen die
Schmelztiegel benutzt werden, d.h. bei oberhalb von 1400°C. In einer
Ausführungsform
sind die Dotierungsmaterialien so ausgewählt, dass die sich bildenden
Nitrid- und Oxydverbindungen bei Temperaturen oberhalb 1420°C stabil
sind. In einer weiteren Ausführungsform
sind die Materialien für
Temperaturen von oberhalb 1450°C
ausgewählt.
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Bei
einer Ausführungsform
sind die Dotierungsmaterialien Pulvermaterialien mit einer Größe von ungefähr 50 Mikrometer
oder weniger. In einer anderen Ausführungsform sind die Dotierungsmaterialien
Pulver einer Größe von 30
Mikrometer oder weniger.
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Beispiele
für Dotierungsmaterialen
beinhalten metallisches Aluminium, metallisches Titan, metallisches
Tantal, metallisches Zirkon, metallisches Hafnium, metallisches
Vanadium, metallisches Niob, metallisches Chrom, metallisches Zink, metallisches
Kadmium, Suboxide und Subnitride, teilweise oxidierte Materialien,
teilweise nitrierte Materialien und Kombinationen aus diesen. Beispiele
von Suboxyden beinhalten Ce2O3,
VO, VO2 oder TiO. Beispiele einer Kombination
beinhalten Legierungen wie bspw. TaNb.
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Dotierungsmaterialien
sind kommerziell leicht verfügbar.
Beispiele beinhalten hochreine oder ultrahochreine Metallpulver
mit einer Größe von ungefähr 50 Mikrometer
oder weniger geschmolzenen Metalloxyde und Suboxydpulver hoher Reinheit
mit einer Größe von 5
Mikrometer oder weniger, die kommerziell von Atlantic Equipment
Engineers www.micronmetals.com, Johnson Matthey Alfa – Aesar
oder andren Lieferanten verfügbar
ist.
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Das
Dotierungsmittel wird in einer solchen Menge hinzugefügt, dass
sie niedrig genug ist, damit das Dotierungsmittel die Kristalleigenschaften
nicht beeinträchtigt,
jedoch hoch genug, um die Schmelztiegelblasenstruktur zu stören und
damit bei der Einkristallausbringung zu helfen. Gemäß einer
Ausführungsform
wird das Dotierungsmittel in einer Menge für eine Konzentration von ungefähr Gewichts
PPM (PPMW) bis ungefähr 500
PPMW in der inneren Schmelztiegelschicht hinzugefügt. Bei
einer anderen Ausführungsform
wird es in einer ausreichenden Menge für eine Konzentration von ungefähr 100 PPMW
bis ungefähr
400 PPMW in der inneren Schmelztiegelschicht hinzugefügt. In einer
dritten Ausführungsform
liegt die Menge bei oberhalb 100 PPMW. In einer vierten Ausführungsform
liegt die Menge bei 400 PPMW oder weniger.
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Das
Dotierungsmittel kann zu den Quarzsandausgangsmaterial vor der Schmelze
zur Ausbildung der Innenschicht des Schmelztiegels hinzugefügt werden
oder es kann nach der Schmelze in den Schmelztiegel eingebracht
werden, um eine Präsenz
des Dotierungsmittels in der Schmelztiegelinnenschicht zu bewirken.
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1 ist
eine schematische Ausführungsform
einer Apparatur 10 zur Ausbildung eines geschmolzenen Quarzschmelztiegels 12,
wobei die Apparatur in dem US-Patent 4,416,680 vollständiger beschrieben
ist. Bei dem Schmelzprozess werden kristalline Quarzrohmaterialien
in eine hohle rotierende Form gegeben, um die Schmelztiegelform
auszubilden, und danach mit einem elektrischen Bogen geschmolzen.
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Gemäß 1 ist
ein hohles Metallformgehäuse 14 an
eine Welle 16 drehbar montiert um ein Mittel zu bilden,
in dem die Schmelze des Quarzschmelztiegels stattfindet. Eine Motorantriebseinrichtung 18 dreht
die Schmelzformanordnung, um die Quarzsandmasse durch Zentrifugalkraft
an den Innenwänden
der Metallform 14 zu halten. An den Innenwänden der
Firm 14 sind Perforationen 20 vorgesehen, so dass
die Schmelze der geformten Sandmasse unter Vakuumbedingungen stattfinden
kann, um den Blasengehalt in dem geschmolzenem Quarzelement zu reduzieren.
Solcher Vakuumbetrieb wird erreicht, indem ein Versorgungskanal 22 angeschlossen
ist, der von der Metallform 14 zu einer Vakuumpumpe 24 führt.
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Um
das Metallgehäuse 14 ist
eine Elektrodenanordnung 25 beweglich angeordnet, die eine
Leistungsquelle und (nicht veranschaulichte) Elektroden aufweist,
um eine ausreichende Hitzequelle zu bilden, die die Quarzsandform,
die in dem Gehäuse 14 vorhanden
ist, schmilzt.
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In
Betrieb wird eine Portion Quarzsand in der Form 14 angeordnet,
die dreht, um eine poröse
Form 26 mit Schmelztie gelkonfiguration zu bilden. Die Vakuumpumpe 24 saugt
während
der nachfolgenden Schmelze durch einen elektrischen Bogen, der durch
die zugeordnete Elektrodenanordnung aufrechterhalten wird, Luft aus
der porösen
Sandform. Die Elektrodenanordnung kann programmiert sein, um während des
Funktionsschritts in dem Metallgehäuse sich automatisch abzusenken,
während
sie, nachdem das geschmolzene Quarzgefäß ausgebildet worden ist, in
ihre Originalhöhe
zurückgezogen
wird. Nachdem der Schmelzvorgang beendet und das Teil ausgebildet
ist, wird der geschmolzene Teil gekühlt und aus dem Schmelzbehälter entfernt.
Nach seiner Entfernung kann die gesamte Anordnung für den nächsten Beladungszyklus
vorbereitet werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung (nicht dargestellt) liegen die Perforationen 20 in
der Form gleichmäßig verteilter
Ports um die Form herum vor, die die Durchleitung von Helium oder
Wasserstoff (anstelle von Luft) durch den Quarzsand gestatten. Sobald
die Schmelztiegelinnenwand eine Haut bildet, hilft das Helium oder
der Wasserstoff beim Austreiben anderer Gase, die in den Zwischenräumen vorhanden
sein können. Eine
Serie von Öffnungen
oder Ports an dem Boden der Form 14 liefert ein Vakuum,
das somit einen Strom erzeugt, um die Restgase in den Sand zu ziehen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird zur Herstellung eines Schmelztiegels mit einer äußeren undotierten
Schicht aus Quarzglas und einer inneren Schicht aus „dotiertem" Quarzglas mit stabilisierten
bzw. gesteuerter oder kontrollierter Blasendichte „reines" oder undotiertes
Quarzsandmaterial zunächst
(nicht veranschaulichte) erste Masseförderer in die Form 14 gefördert. Es
können
viele zu messende Sandförderer
zur Zuführung
der dotierten und der undotierten Quarzsandströme vorgesehen sein. Die aus
Metall bestehende Fülleinrichtung
ist mit einem Zuführrohr
und einem Ventil zur Zumessung des Quarzsandes aus der Fülleinrichtung
in das Innere der Metallform 14 versehen. Die Drehung der
Form 14 durch den Motorantrieb 187 schaffte eine ausreichende
Kraft, um das eingefüllte
Siliziumoxidkorn an der Innenseite der Form 14 zu halten. Ein
(nicht veranschaulichter) Spatel, dessen Form die Innenfläche der
form 14 nachführt,
wird generell dazu verwendet, um die Außenschicht und/oder den zugeführten Sand
zu formen. In dieser Weise kann die Schmelztiegelschicht auf eine
gewünschte
Dicke gebracht werden, die bei einem Beispiel eine Dicke von ungefähr 0,875
Zoll ist (2,2 bis 2,3 cm).
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung wird zwischen den Elektroden der Anordnung 25 ein
elektrischer Bogen erzeugt. Dabei wird innerhalb des Inneren der
Metallform 14 Hitze erzeugt, wobei die Temperatur des Siliziumoxydkorns
1800°C bis
2200°C erreicht.
Die Hitze dient zum Schmelzen des Siliziumoxydkorns in der Form.
Die Schmelze setzt sich durch das Korn von einer nahen (inneren
oder nächstliegenden
Fläche)
bis zu einer fernen oder von den Elektroden der Anordnung 25 weiter
entfernten Schicht fort. Die Mechanismen, der durch die Siliziumoxydkornschicht
fortschreitenden Schmelze sind dem Fachmann bekannt.
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Bei
einer Ausführungsform
des Schmelzschritts wird der backende Sand in der Schmelzform 14 mit der
gegebenen Schmelzformgeometrie an seinen Platz gegossen, wobei dem
Fachmann weitere Details bekannt sind. Nachdem der zusammenbackende
Sand in der drehenden Form an seinen Platz gelangt ist, wird auskleidender
Sand in ähnlicher
Weise an seinen Platz geschüttet.
Hier wird unter auskleidendem Sand derjenige Sand verstanden, der
mit dem (den) Additiv (Additiven) der Erfindung dotiert ist, um
die Blasendichte und Stabilität
zu steuern und zu verbessern. Sobald der gesamte Sand in der drehenden
Form an seinem Platz ist, wird der Lichtbogen zwischen den Elektrodenspitzen
gezündet
und der Sand wird zu einem fest verschmolzenen Siliziumoxydkörper oder
einem geschmolzenen Schmelztiegel zusammengeschmolzen, wie er in
der Halbleiterindustrie Anwendung findet.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
des Schmelzschritts wird der gesamte Sand in der Schmelzform 14 für die gesamte
herzustellende Vorform unter Verwenddung von dotiertem Sand eingeschüttet, d.h.
das zu dem Sand hinzugefügte
Additiv ist in dem gesamten Sand der Schmelzform vorhanden. Sobald
der gesamte Sand in der drehenden Schmelzform an seinem Platz ist,
wird der Lichtbogen zwischen den Elektrodenspitzen gezündet und
der Sand zu einem festen verschmolzenen Siliziumoxydkörper für einen
in der Halbleiterindustrie verwendbaren geschmolzenen Schmelztiegel
zusammengeschmolzen.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Fusionsschritts wird der backende Sand in seine Position geschüttet und
der backende Sand wird zu einem festen verschmolzenen Siliziumoxydschmelztiegelkörper verschmolzen.
Nach dem Schmelzen der Außenschicht
wird als Nächstes
die Innenschicht ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform wird das Siliziumoxydkorn
mit den erfindungsgemäßen Dotierungsmittel
aus der Kornzuführung
für die
innere Siliziumoxydschicht durch das Zuführrohr und ein Regulierendes
Ventil in die Form 14 mit der ausgebildeten Außenschicht
eingeführt.
Der zwischen den Elektroden der Anordnung 25 brennende Bogen
erzeugt ein starkes Plasmafeld, das das teilweise geschmolzene innere
Siliziumkorn nach außen
treibt und ihm gestattet, an den Seiten und dem Boden der Fläche der
Schmelzform 14 abgelagert zu werden, d.h. an der Innenfläche der äußeren Schmelztiegelschicht.
Das durch den Lichtbogen, Lichtbogen, teilweise geschmolzene Innenkorn
wird auf der äußeren Schmelztiegelschicht
abgelagert und mit dieser verschmolzen, so dass die Innendichte
mit der gewünschten
Dicke hergestellt wird. Bei einer Ausführungsform liegt die Dicke
der Innenschicht bei ungefähr
0,5 bis 7 mm.
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Nach
Ausbildung der Innenschicht durch Ablagerung des dotierten Siliziumoxydkorns
und des oben diskutierten Schmelzschritt wird der Schmelztiegel
für ungefähr 30 s
bis 90 s oder mehr gekühlt,
um eine ausreichende strukturelle Steifigkeit zu erhalten, die die
Herausnahme aus der Schmelzform ohne Deformation gestattet. In einer
anderen Ausführungsform
kann der Schmelztiegel bei einer gewählten Temperatur für eine gewählte Zeitspannen
gehalten werden oder der Schmelztiegel kann mit kontrollierter Rate
gekühlt
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
des Verfahrens zur Herstellung des Schmelztiegels mit einer einzelnen
Schicht dotierten Quarzmaterials wird zunächst das Siliziumkorn dotiert,
d.h. das Dotierungsmittel ist im gesamten Quarzausgangsmaterial
vorhanden. Das dotierte Quarzpulver wird dann mit einem Hochleistungslichtbogen
geschmolzen und gesintert und zu einem Schmelztiegel geformt, wobei
eine Innenschicht mit stabilisierter und/oder kontrollierter Blasendichte
erhalten wird.
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Bei
einer Ausführungsform
wird der geschmolzene Schmelztiegel anstelle der (oder zusätzlich zu
der) Verwendung von Dotierungsmittel in dem Siliziumausgangsmaterial
nach Ausbildung durch die Ablagerung von Siliziumkorn in den oben
beschriebenen Schritten in einer Ofenkammer für ungefähr 20 Minuten bis ungefähr 10 Stunden
platziert, wobei die Atmosphäre
der Kammer mit den erfindungsgemäßen Dotierungsmaterialien gesättigt ist.
Z.B. mit Molybdändampf
oder Mo2O5-Dampf,
der dann die Oberflächen
des Schmelztiegels berührt
und in den Quarz diffundiert, wobei zusätzliche Behandlungszeit und
Dotierungsmittelkonzentration geschaffen wird, um die Blasenbildung
in der inneren Schmelztiegelschicht zu kontrollieren, zu stabilisieren und/oder
zu reduzieren.
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Endverarbeitungsschritte
der Erfindung können
Feinstrahlen oder Polieren der Außenfläche des Schmelztiegels, Kantenbeschneiden,
Reinigen und Verpacken zum Schutz des Schmelztiegels beinhalten.
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Nach
einer Ausführungsform
weist der Schmelztiegel eine Tiefe oder Dicke von ungefähr 8 bis
25 mm auf, die gleichmäßig mit
dem erfindungsgemäßen Dotierungsmittel
dotiert ist. Nach einer anderen Ausführungsform beträgt die maximale
Dicke 20 mm. In einer anderen Ausführungsform hat der Schmelztiegel
eine undotierte Außenschicht
von 5 mm bis 20 mm und eine dotierte Innenschicht von ungefähr 3 mm
bis ungefähr 20
mm. In einer anderen Ausführungsform
hat der Schmelztiegel eine undotierte Außenschicht mit einer Dicke oder
Tiefe von ungefähr
0,5 mm bis 10 mm und eine dotierte Innenschicht mit einer Tiefe
von 1 mm bis 10 mm.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
hat der Schmelztiegel eine Innenschicht oder wenigstens einen Innenschichtabschnitt
mit einem durchschnittlichen Blasenvolumendichteverhältnis von
unter 0,0003, gemessen als Verhältnis
des Volumens der Blasen zu dem Volumen eines Schmelztiegelprobenbereichs.
Der Probenbereich wird in einer Tiefe von 1 bis 2 mm von der Innenfläche genommen,
die mit der Halbleitermaterialschmelze in Berührung steht. In einer zweiten
Ausführungsform
hat die Innenschicht ein durchschnittliches Bla sendichtenverhältnis von
weniger als 0,002. In einer dritten Ausführungsform hat der Schmelztiegel
ein durchschnittliches Blasendichtenverhältnis von weniger als 0,001.
Bei einer vierten Ausführungsform hat
der Schmelztiegel ein Blasendichtenverhältnis von < 0,00075.
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Beispiele
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Beispiele
werden hier gegeben, um die Erfindung zu veranschaulichen, wobei
sie den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken sollen.
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Beispiel 1
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Es
werden fünf
Schmelztiegel A, B, C, D und E mit jeweils einem Durchmesser von
22 Zoll hergestellt. Alle Schmelztiegel sind mit der gleichen Außenschicht
hergestellt, die reines Natursiliziumoxydkorn enthält. Die
Innenschicht aller Schmelztiegel enthält ebenfalls Natursiliziumoxydkorn.
Wenn eine Dotierung erforderlich ist, wird die Dotierung über aus
dem Stand der Technik bekannte Verfahren erzeugt, z.B. werden Siliziumoxydkorn
und Dotierungsmittel in abgemessenen Quantitäten in eine Plastikflasche
und mit dieser in einen Turbula-Festkörpermixer gegeben und für ungefähr 30 Minuten
umgewälzt.
Die Mischung wird weiter verdünnt,
indem diese Dotierungsmittelvormischung in einen größeren Behälter, bspw.
ein Fass mit einer größeren Quantität undotierten
Sands gegeben wird. Diese heterogene Mischung wird dann verschnitten
und durch weiteres Umwälzen
homogenisiert. Die Prozedur kann wiederholt werden, bis die gewünschte Dotierungsmittelkonzentration
erreicht ist.
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In
diesem Beispiel wird ein Schmelztiegel A gemäß der Lehre des US-Patents
Nr. 4,911,896 hergestellt, bei dem der oberen Wandbereich der inneren
Schmelztiegelschicht außerdem
50 Gewichts PPM feinkörniger
sphärisch
geformter Siliziummetallkristalle der Maschengröße 350 enthält, wobei der Gesamtmetallgehalt
der Innenschicht des Schmelztiegels bei 100 PPM oder weniger gehalten
wird.
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Die
gesamte Innenschicht des Schmelztiegels B ist mit 300 Gewichts PPM
Tantalpuder von Atlantic Equipment Engineers („AEE") mit 99,8% Reinheit und 1 bis 4 Mikrometer
Partikelgröße dotiert.
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Die
gesamte Innenschicht des Schmelztiegels C ist mit 250 Gewichts PPM
Aluminiumpulver mit weißen
bis grauen hexagonalen Kristallen ebenfalls von AEE mit einer Partikelgröße von 1
bis 5 Mikrometer dotiert.
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Die
gesamte Innenschicht des Schmelztiegels d ist mit 200 Gewichts PPM
Niobpulver mit weißen
bis grauen hexagonalen Kristallen ebenfalls von AEE mit eiern Partikelgröße von 1
bis 5 Mikrometer dotiert.
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Im
Hinblick auf Schmelztiegel E wird von einem Schmelztiegel mit einer
undotierten Innenschicht, wie er kommerziell von der General Electric
Company als „V3B" verfügbar ist,
ausgegangen, der für
eine Stunde in einer Ofenkammer geglüht wird, die mit einem Metalldampf
wie bspw. Tantal gesättigt,
ist und zwar für
eine Stunde mit einer Dotierungsmittelkonzentration von wenigstens
ungefähr
100 PPM.
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Die
Schmelztiegel A–E
werden einem Vakuumbackprozess ausgesetzt, der einen Cz-Prozess
simuliert, nach welchem die Innenschicht jedes Schmelztiegels untersucht
wird. Der Innenflächenbereich
der Schmelztiegel. B., C, D und E weist jeweils einen Auskleidungsbereich
auf, in dem sich ein unter normales Blasenwachstum ergibt. Das Blasenwachstum
ist sowohl im Hinblick auf die Anzahl der Blasen, die sich bilden, als
auch im Hinblick auf das Wachstum der Größe der bereits geformten Blasen
oder die sich bei der Verwendung aus Kernen aus entsprechenden Nuklei
ergeben, stärker
limitiert. Im Gegensatz dazu wird beobachtet, dass der Schmelztiegel
A ein stärkeres
Blasenwachstum in Hinblick auf die Anzahl der Blasen als auch im
Hinblick auf die Größe des Wachstums
der Blasen aufweist, die in der Innenschicht vorhanden sind.
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Beispiel 2
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In
diesem Beispiel werden Schmelztiegel unter Verwendung einer Tantaldotierung
gefertigt, wie sie vorausgehend für Schmelztiegel B beschrieben
worden ist, mit einer Konzentration von 200 PPM, 250 PPM und 300
PPM, die mit B',
C', D' bezeichnet sind.
Der Schmelztiegel A' ist
von der General Electric Company als V3B kommerziell verfügbar.
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Es
werden Abschnitte 1'' bis 2'' von den Schmelztiegeln A' bis D' abgenommen und bei
1560°C für 24 Stunden
gebacken. Es wurden digitale Bilder unter Nutzung optischer Mikroskopie
erhalten, so dass die Blasen-„Menge" oder das Volumen
quantifiziert werden konnten. Die Blasen wurden von dem Teilabschnitt
1'' bis 2'' jeweils für einen Millimeter manuell
gemessen und gezählt.
Bei verschiedenen Bereichen der Abschnitte wurde beobachtet, dass
die Blasenzahl in dem dotierten Schmelztiegeln B' bis D' ungefähr ein Fünftel der Zahl des undotierten
Schmelztiegels A' ist.
Das Blasendichtenverhältnis
wurde, wie vorstehend beschrieben, gemessen, was durch schnittliche
Blasenvolumendichtenverhältnisse
wie folgt ergibt.
| Probe | Blasenvolumen/Gesamtvolumen |
| A' | 0,009707 |
| B' | 0,000764 |
| C' | 0,001004 |
| D' | 0,000532 |
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Es
ist ein Quarzglasschmelztiegel mit reduzierten/kontrollierten Blasengehalt
geoffenbart, der eine Außenschicht und eine Innenschicht aufweist, die mit
Elementen und Verbindungen dotiert ist, die: a) mit Sauerstoff und
Stickstoff bei einer nahe der Schmelztemperatur des Quarzes liegenden
Temperatur reagieren und b) Verbindungen bilden, die bei Temperaturen
von oberhalb 1400°C
thermisch und in SiO2-Umgebung chemisch
stabil sind. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schmelztiegels
mit kontrolliertem Blasengehalt ist ebenfalls geoffenbart, wobei
das Verfahren den Schritt der Ausbildung eines Schmelztiegels mit
einer Innenschicht aufweist, die mit einem Material dotiert ist,
das mit Restgasen in den Blasen, wie bspw. Stickstoff und Sauerstoff
reagiert und somit die Gase in den Blasen aufzehrt und diese in
dem Schmelzprozess leert.
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Während die
Erfindung mit Verweis auf eine bevorzugte Ausführungsform beschreiben worden
ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen
und Äquivalente
für Elemente
der Erfindungen ersatzweise eingesetzt werden können, ohne den Bereich der
Erfindung zu verlassen. Es wird beabsichtigt, dass die Erfindung
nicht durch die spezielle Ausführungsform
beschränkt
wird, die hier als beste Art zur Ausführung der Erfindung beschrieben
ist, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen erfassen, die
in den Bereich der nachfolgenden Ansprüche fallen.
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Alle
hier in Bezug genommenen Verweise werden durch Bezug ausdrücklich inkorporiert.
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Zusammenfassung
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Es
ist ein Quarzglasschmelztiegel mit reduzierten/kontrollierten Blasengehalt
geoffenbart, der eine Außenschicht
und eine Innenschicht aufweist, die mit Elementen und Verbindungen
dotiert ist, die: a) mit Sauerstoff und Stickstoff bei einer nahe
der Schmelztemperatur des Quarzes liegenden Temperatur reagieren
und b) Verbindungen bilden, die bei Temperaturen von oberhalb 1400°C thermisch
und in SiO2-Umgebung chemisch stabil sind.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Schmelztiegels mit kontrolliertem
Blasengehalt ist ebenfalls geoffenbart, wobei das Verfahren den
Schritt der Ausbildung eines Schmelztiegels mit einer Innenschicht aufweist,
die mit einem Material dotiert ist, das mit Restgasen in den Blasen,
wie bspw. Stickstoff und Sauerstoff reagiert und somit die Gase
in den Blasen aufzehrt und diese in dem Schmelzprozess leert.