DE112012004790T5

DE112012004790T5 - Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls

Info

Publication number: DE112012004790T5
Application number: DE112012004790.7T
Authority: DE
Inventors: c/o Shirakawa Plant Shin-Etsu Mitamura Nobuaki
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: US20140326174A1; DE112012004790B4; JP2013126926A; KR20140104425A; WO2013088646A1; US9476142B2; JP5660020B2; KR101929497B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls gemäß dem Czochralski-Verfahren bereit, umfassend: Inkontaktbringen eines spitzen Endes eines Impfkristalls mit einer Siliziumschmelze; Schmelzen des Impfkristalls in der Siliziumschmelze vom Ende bis zu einer Position, an der der Impfkristall einen vorbestimmten Durchmesser hat; und dann Züchten des Silizium-Einkristalls ohne einen Dash-Necking-Prozess, wobei der Impfkristall geschmolzen wird, während der Tiegel bei einer Drehzahl von 2 min–1 oder weniger gedreht wird, und die Drehzahl des Tiegels innerhalb von 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzvorgangs und dem Beginn des Kristallwachstums auf einen Wert unterhalb der beim Schmelzen herrschenden Drehzahl verlangsamt wird. Mit dem Verfahren lässt sich ein Rückgang der Erfolgsrate in Bezug auf ein versetzungsfreies Einkristall-Wachstum bei der Herstellung eines schweren Blocks großen Durchmessers verhindern und die Produktivität durch das versetzungsfreie Impfverfahren ohne den Halsbildungsprozess verbessern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren), mit dem ein Silizium-Einkristallblock mittels eines Impfkristalls ohne einen Halsbildungs- bzw. Dash-Necking-Prozess gezüchtet wird.
STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach dem CZ-Verfahren wird im Stand der Technik ein Impfkristall aus einem Silizium-Einkristall in Kontakt mit einer Siliziumschmelze gebracht und dann langsam unter Drehung nach oben gezogen, um einen Einkristallblock zu züchten. Dabei wird, wenn der Impfkristall mit der Siliziumschmelze in Kontakt gebracht worden ist, um Versetzungen zu eliminieren, die von Gleitversetzungen ausgehen, welche im Impfkristall aufgrund eines Wärmeschocks in hoher Dichte entstehen, ein sogenannter Halsbildungsprozess zum Reduzieren eines Kristalldurchmessers auf circa 3 mm ausgeführt, um einen Halsabschnitt auszubilden, und dann wird der Kristalldurchmesser auf einen gewünschten Durchmesser erhöht, um einen versetzungsfreien Silizium-Einkristall zu ziehen. Ein solcher Halsbildungsprozess ist weithin als Dash-Necking-Verfahren bekannt, was im Falle des Ziehens eines Silizium-Einkristallblocks gemäß dem CZ-Verfahren ein allgemein üblicher Begriff ist.
Genauer gesagt hat ein im Stand der Technik verwendeter Impfkristall eine Form, die durch Vorsehen eines Kerbabschnitts, der zum Ansetzen an einen Impfkristallhalter verwendet wird, in einem zylindrischen oder prismatischen Einkristall erhalten wird, der einen Durchmesser von beispielsweise etwa 8 bis 20 mm bzw. ein jeweiliges Seitenmaß von etwa 8 bis 20 mm und eine untere Endform hat, die mit einer Siliziumschmelze in Kontakt gebracht wird, wobei es sich zuerst um eine ebene Fläche handelt. Um einen sicheren Ziehvorgang ausführen zu können, während gleichzeitig die Masse eines Einkristallblocks von hohem Gewicht getragen werden kann, ist es darüber hinaus schwierig, die Dicke des Impfkristalls über den vorstehend beschriebenen Wert hinaus zu reduzieren, wenn die Festigkeit des Materials in Betracht gezogen wird.
Da der Impfkristall mit einer solchen Form eine hohe Wärmekapazität an dem Ende aufweist, das mit der Schmelze in Kontakt gelangt, wird im Kristall eine exponentielle Temperaturdifferenz in dem Moment erzeugt, in dem der Impfkristall in Kontakt mit der Schmelze gelangt, und es werden Gleitversetzungen in hoher Dichte erzeugt. Deshalb ist zur Eliminierung der Versetzungen und zum Züchten des Einkristalls die Halsbildung erforderlich.
Jedoch muss in einem solchen Zustand, selbst wenn verschiedene Halsbildungsbedingungen ausgewählt werden, zur Eliminierung von Versetzungen der kleinste Durchmesser auf 4 bis 6 mm verengt werden, reicht die Festigkeit nicht aus, um einen Einkristallblock hohen Gewichts mit einer neuerlichen Durchmesserzunahme des Silizium-Einkristalls zu stützen, und kann beim Ziehen des Einkristallblocks ein ernsthafter Unfall auftreten, wie zum Beispiel ein Bruch dieses verengten Halsbildungsabschnitts und das Fallen des Einkristallblocks.
Um ein solches Problem zu lösen, sind Erfindungen vorgeschlagen worden, wie sie in der Patentliteratur 1 oder der Patentliteratur 2 beschrieben sind. Diese Erfindungen verbessern die Festigkeit des Halsbildungsabschnitts, indem die Form eines Endabschnitts des Impfkristalls in eine keilförmigen Form gebracht oder zu einem Hohlabschnitt ausgebildet wird, wobei Gleitversetzungen, die ausgebildet werden, wenn der Impfkristall mit der Siliziumschmelze in Kontakt gelangt, so weit wie möglich reduziert werden, so dass Versetzungen eliminiert werden können, selbst wenn ein Durchmesser des Halsabschnitts relativ groß ist.
Da die Dicke des Halsabschnitts erhöht werden kann, kann gemäß diesem Verfahren die Festigkeit des Halsabschnitts in einem gewissen Ausmaß verbessert werden, allerdings wird immer beim Ausführen des Halsabschnitts noch ein Halsabschnitt mit Gleitversetzungen ausgebildet, kann die Festigkeit beim Ziehen eines Einkristallblocks, der einen Durchmesser und eine Länge hat, die in den letzten Jahren stark zugenommen haben, und auch ein Gewicht von 150 kg oder darüber aufweist, unzureichend sein, und steht eine Lösung für die Wurzel des Problems immer noch aus.
Es wurde somit ein Verfahren zur kristallinen Ausbildung eines Einkristalls entwickelt und vorgeschlagen (Patentliteratur 3), ohne auf der Grundlage einer Halsbildung einen Halsabschnitt auszubilden, was zu größten Problemen hinsichtlich der Festigkeit führt. Gemäß diesem Verfahren hat ein Impfkristall, wie in 2 gezeigt ist, eine Form, die an einem Endabschnitt, der mit einer Siliziumschmelze in Kontakt gebracht wird, eine spitz zulaufende Form, oder hat eine Form, die durch Abtrennen eines spitz zulaufenden Endes erhalten wird, wird das Ende des Impfkristalls behutsam mit der Siliziumschmelze (2 bei (1)) in Kontakt gebracht, wird der Impfkristall mit einer geringen Geschwindigkeit (Vdown) nach unten bewegt und geschmolzen, bis der Endabschnitt des Impfkristalls einen gewünschten Durchmesser D (2 bei (2)) aufweist, wird dann der Impfkristall langsam nach oben bewegt (Vup) und wird ein Silizium-Einkristallblock mit einem gewünschten Durchmesser ohne Durchführung einer Halsbildung wachsen gelassen (2 bei (3)).
Wenn das Ende des Impfkristalls zunächst mit der Siliziumschmelze in Kontakt gebracht wird, wird im Impfkristall durch dieses Verfahren kein Wärmeschock und auch kein steiler Temperaturgradient erzeugt, da der Kontaktbereich klein ist und die Wärmekapazität des Endabschnitts gering ist, und somit werden auch keine Gleitversetzungen eingebracht. Wenn weiter der Impfkristall dann bei niedriger Geschwindigkeit nach unten bewegt und geschmolzen wird, bis der Endabschnitt des Impfkristalls eine gewünschte Dicke hat, wird kein prompter Temperaturgradient erzeugt, und somit wird selbst während des Schmelzens keine Gleitversetzung in den Impfkristall eingebracht. Wenn weiter der Impfkristall schließlich wieder langsam nach oben bewegt wird, muss keine Halsbildung ausgeführt werden, da der Impfkristall über die gewünschte Dicke verfügt und keine Versetzungen zeigt, ist die Festigkeit ausreichend und wird der Impfkristall verdickt, bis ein gewünschter Durchmesser erreicht ist, wodurch der Silizium-Einkristallblock wachsen gelassen wird.
Wie vorstehend beschrieben, ist in einem regulären Halsbildungs-/Impfverfahren eine Form oder ein Verfahren zum Verringern des Wärmeschocks während einer thermischen Isolierung oder eines Erwärmens des Impfkristalls über der Schmelze oder eines Impfens als Verfahren zum Reduzieren der anfänglichen Versetzungsdichte offenbart worden, aber es gibt eine Grenze bezüglich der Dicke eines Halses und es ist unmöglich, einen Einkristallblock mit erhöhtem Durchmesser und erhöhtem Gewicht nachzuvollziehen. Somit ist also ein versetzungsfreies Impfverfahren geschaffen worden, das mit der vorstehend erwähnten Durchmesser- und Gewichtszunahme fertig werden kann, ohne die Halsbildung durchzuführen.
Ein Problem dieses versetzungsfreien Impfverfahrens besteht in der Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall. Das heißt, dass bei diesem Verfahren, wenn einmal eine Versetzung in den Impfkristall eingebracht wurde, kein Wiederholungsprozess ausgeführt werden kann, es sei denn, der Impfkristall wird ersetzt, so dass eine Verbesserung der Erfolgsrate besonders wichtig ist. Außerdem wird in diesem Fall, selbst wenn der Impfvorgang ohne Versetzung durchgeführt wird, die Gleitversetzung erzeugt, wenn ein sich verjüngender Endabschnitt des Impfkristalls nach dem Schmelzen einer vorbestimmten Länge in der Nähe des Siliziumschmelzpunkts belassen wird, oder abhängig von einer Zeit, die zum Starten des Kristallwachstums erforderlich ist, oder einer Wachstumsrate beim Umstellen auf die Wachstumsphase des Einkristalls, was zu dem Problem führt, dass diese Versetzungen zunehmen.
Um also die Erfolgsrate beim versetzungsfreien Impfverfahren zu erhöhen, sind Erfindungen vorgeschlagen worden, wie sie in der Patentliteratur 4, der Patentliteratur 5 und der Patentliteratur 6 offenbart sind. Diese Erfindungen legen eine Haltezeit vor dem Schmelzen, eine Temperatur während des Schmelzens, eine Schmelzrate, eine Haltezeit nach dem Schmelzen, eine Wachstumsrate und eine Magnetfeldstärke während des Kristallwachstums, usw. nahe.
Bei den Erfindungen, die zur Steigerung der Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens vorgeschlagen wurden, findet sich als übergreifender wichtiger Punkt ein Inhalt dahingehend, dass eine Temperatur T der Silizium-Schmelzoberfläche, bei der der Impfkristall geschmolzen wird, höher als der Schmelzpunkt von Silizium eingestellt wird. Gemäß der Patentliteratur 4 gibt es eine Beschreibung über den Bereich, der um 25°C oder mehr und 45°C oder weniger höher ist als der Siliziumschmelzpunkt ist. Gemäß der Patentliteratur 5 gibt es eine Beschreibung dahingehend, dass der Schmelzvorgang bei einer Temperatur ausgeführt wird, bei der der Durchmesser des Kristalls so reduziert wird, dass er um 0,3 oder mehr und 2 mm oder weniger kleiner als der Durchmesser nach dem Ende des Schmelzvorgangs in einem Abschnitt ist, der 3 mm beträgt, und zwar um von einer Position des Endes des Schmelzens des Impfkristalls zu ziehen. Gemäß der Patentliteratur 6 gibt es eine Beschreibung über eine Temperatur, die 10 bis 20°C höher als eine Temperatur ist, die im Dash-Necking-Verfahren eine geeignete Temperatur ist.
Die Notwendigkeit, den Impfkristall bei einer Temperatur zu schmelzen, die höher als der Siliziumschmelzpunkt ist, liegt darin begründet, dass das Schmelzen bei der hohen Temperatur das vollständige Schmelzen des Impfkristalls ermöglicht, ohne dass ein nicht geschmolzener Teil im Endabschnitt des Impfkristalls zurückbleibt. Dies liegt dran, dass in einem Zustand, in dem die Temperatur der Siliziumschmelze nicht ausreichend hoch ist, der Impfkristall in festem Zustand in die Siliziumschmelze einsinkt, ohne dass dabei das Ende des Impfkristalls schnell geschmolzen wird und die Gleitversetzung erzeugt wird.
Zusätzlich nimmt bei einem Anstieg des Gewichts aufgrund der jüngsten Realisierung einer großen Größe eines gezogenen Kristalls oder bei einem ultraschweren Kristall wie einem Kristall der nächsten Generation, der einen Durchmesser von 450 mm aufweist, der Mindestdurchmesser zu, der zum Halten eines Einkristallblocks erforderlich ist. Bei einem Kristall der nächsten Generation, der insbesondere einen Durchmesser von 450 mm hat, wird davon ausgegangen, dass das Kristallgewicht über einer 1 Tonne liegt, wobei in diesem Fall zum Halten ein Mindestdurchmesser von 10 mm oder mehr erforderlich ist. Wenn ein Mindestdurchmesser von 10 mm erforderlich ist, muss der Impfkristall bis zu einem Abschnitt mit einem Durchmesser von 10 mm oder mehr geschmolzen werden. Wenn dieser Durchmesser beim Schmelzen zunimmt, muss sogar ein noch dickerer Abschnitt schnell geschmolzen werden, und somit ist zum Schmelzen dieses Abschnitts eine höhere Temperatur erforderlich.
Unglücklicherweise verursacht das Ansteigen der Temperatur beim Schmelzen, das zur Erhöhung der Erfolgsrate beim versetzungsfreien Impfverfahren notwendig ist, das folgende Problem.
Das Problem eines Ansteigens der Temperatur beim Schmelzen taucht dann auf, wenn der Prozess nach dem Ende des Schmelzens des Impfkristalls zum Kristallwachstum übergeht. Der Schmelzprozess schreitet ruhig voran, wenn die Temperatur der Siliziumschmelze höher als der Schmelzpunkt eingestellt wird. Wenn jedoch die Temperatur der Siliziumschmelze unmittelbar nach dem Ende des Schmelzens höher als der Schmelzpunkt ist, wird der Durchmesser des Kristalls so eingeschnürt, dass er natürlich kleiner als der Durchmesser unmittelbar nach dem Ende des Schmelzens ist, wenn das Kristallwachstum ohnehin schon beginnt, und der Kristall in manchen Fällen abgetrennt wird. Selbst wenn der Kristall nicht abgetrennt wird, führt der verengte Durchmesser zu einem Problem dahingehend, dass die Festigkeit zum Halten des schweren Kristalls nicht ausreicht.
Ferner findet sich in der Patentliteratur 4 eine Beschreibung dahingehend, dass der Übergang zum Kristallwachstum innerhalb eines Zeitraums von 0 bis 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzens eine Verbesserung der versetzungsfreien Erfolgsrate ermöglicht, wobei aber die versetzungsfreie Erfolgsrate abnimmt, wenn diese Zeit lang wird. Im Falle des Übergangs zum Kristallwachstum während des Zeitraums von 0 bis 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzens gibt es, wenn die Temperatur beim Schmelzen hoch ist, ein Problem dahingehend, dass die Temperatur der Siliziumschmelze nicht zügig abgesenkt werden kann, sich der Durchmesser nach dem Beginn des Kristallwachstums verringert und die Festigkeit zum Halten eines schweren Kristalls nicht ausreichend ist.
Die Menge einer Siliziumschmelze in einem Tiegel, in dem ein schwerer Kristall hergestellt wird, hat ein hohes Gewicht und eine hohe Wärmekapazität, und es besteht ein Problem dahingehend, die Temperatur der Siliziumschmelze in kurzer Zeit zu reduzieren. Um die Temperatur der Siliziumschmelze zu reduzieren, wird ein technisches Verfahren zur Verringerung der elektrischen Energie einer im Ofen installierten, erhitzenden Graphitheizung verwendet, aber eine Änderung der Temperatur der Siliziumschmelze entsprechend einer Änderung der elektrischen Energie der erhitzenden Graphitheizung hat ein schlechtes Ansprechverhalten, und somit ist es sehr schwierig, die Temperatur der Siliziumschmelze innerhalb kurzer Zeit unmittelbar nach dem Ende des Schmelzens des Impfkristalls schnell zu reduzieren, um das Kristallwachstum beginnen zu lassen.
Bei den herkömmlichen Verfahren ist die Temperatur beim Schmelzen dementsprechend begrenzt, um sicherzustellen, dass der Kristalldurchmesser zu Beginn des Kristallwachstums nach dem Schmelzen groß genug ist, um einen schweren Kristallkörper zu halten, obwohl die Temperatur etwas hoch eingestellt wird. Die obige Begrenzung stellt ein Hindernis dahingehend dar, dass die Temperatur beim Schmelzen ausreichend hoch eingestellt wird, um die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall zu erhöhen, was zu einer niedrigeren Erfolgsrate für einen versetzungsfreien Kristall führt.
LITERATURSTELLENLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H05-139880
Patentdokument 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H09-255485
Patentdokument 3: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H10-203898
Patentdokument 4: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer H11-240793
Patentdokument 5: internationale Veröffentlichung WO 2001/063026
Patentdokument 6: internationale Veröffentlichung WO 2003/091483

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Im Hinblick auf die Probleme im Stand der Technik besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls zur Verfügung zu stellen, welches ein versetzungsfreies Impfverfahren ohne den Dash-Necking-Prozess zum Gegenstand hat, mit dem die Erfolgsrate in Bezug auf ein versetzungsfreies Wachstum eines Einkristalls verbessert und die Produktivität bei der Herstellung von schweren Einkristallblöcken mit großen Durchmessern gesteigert werden kann.
LÖSUNG FÜR DAS PROBLEM
Um die Aufgabe zu erzielen, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls gemäß dem Czochralski-Verfahren bereit, umfassend: Inkontaktbringen eines spitzen Endes eines Impfkristalls mit einer Siliziumschmelze; Schmelzen des Impfkristalls in der Siliziumschmelze vom Ende bis zu einer Position, in der der Impfkristall einen vorbestimmten Durchmesser hat; und dann Züchten des Silizium-Einkristalls ohne einen Dash-Necking-Prozess, wobei der Impfkristall geschmolzen wird, während ein Tiegel mit einer Drehzahl von 2 min^–1 oder weniger gedreht wird, und die Drehzahl des Tiegels auf einen Wert unterhalb der beim Schmelzen herrschenden Drehzahl verlangsamt wird, und zwar innerhalb von 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzvorgangs und dem Beginn des Kristallwachstums.
Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren macht es möglich, dass die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche nach dem Schmelzen des Impfkristalls schnell gesenkt wird und ein Kristalldurchmesser unmittelbar nach Beginn des Kristallwachstums groß genug wird, um einen schweren Kristallkörper zu halten, selbst für den Fall, dass die Temperatur, bei der der Impfkristall geschmolzen wird, ausreichend hoch ist und das Kristallwachstum unmittelbar nach dem Schmelzen des Impfkristalls einsetzt. Das Verfahren ermöglicht daher, den Impfkristall bei einer höheren Temperatur zu schmelzen, um so die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens zu verbessern.
Der Impfkristall wird in der Siliziumschmelze vorzugsweise mit einer Schmelzrate zwischen 1 mm/min und 10 mm/min ausgehend vom Ende bis zu einer Position geschmolzen, an der der Impfkristall einen Durchmesser von 6 mm hat.
Durch ein solches Verfahren, welches die Einstellung der Schmelzrate im anfänglichen Stadium des Schmelzvorgangs umfasst, wird verhindert, dass sich der Impfkristall vom gewachsenen Kristall trennt, selbst wenn die Temperatur, bei der der Impfkristall geschmolzen wird, hoch ist, wobei sich die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens effektiv verbessert.
Die Drehzahl des Tiegels wird vorzugsweise auf eine Drehzahl verlangsamt, die um 0,1 min^–1 oder mehr niedriger als die Drehzahl während des Schmelzvorgangs ist.
Eine solche Verlangsamung der Tiegeldrehung mit einem Verlangsamungsbereich von 0,1 min^–1 oder mehr macht es möglich, dass die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche wirksam gesenkt werden kann.
Die Drehzahl des Tiegels wird vorzugsweise innerhalb von 5 Minuten oder weniger gesenkt.
Dieses Verfahren ermöglicht es, die Temperatur in der Mitte der Silizium-Schmelzoberfläche schnell zu senken und einen Prozess der Steigerung des Kristalldurchmessers durchzuführen, während gleichzeitig der Kristalldurchmesser groß genug gehalten wird, um einen schweren Kristallkörper zu halten.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Wie vorstehend beschrieben, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren eine hohe Erfolgsrate in Bezug auf ein versetzungsfreies Einkristall-Wachstum stabil für einen langen Zeitraum im Rahmen des versetzungsfreien Impfverfahrens ohne Durchführung der Halsbildung erzielen. Dementsprechend kann das Verfahren auf Einkristallblöcke angewendet werden, die in Zukunft einen größeren Durchmesser, eine größere Länge und ein höheres Gewicht haben werden, und kann in bedeutendem Maße die Produktivität und den Produktionsausstoß verbessern und die Kosten senken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Teils eines Ofens, in dem ein Silizium-Einkristall wachsen gelassen wird; und
2 ist eine erläuternde Ansicht des versetzungsfreien Impfverfahrens.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Obwohl nachstehend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt.
Wie vorstehend beschrieben, ist es hinreichend bekannt, dass es wichtig ist, die Temperatur, bei der der Impfkristall geschmolzen wird, höher einzustellen als den Schmelzpunkt von Silizium, um die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens zu verbessern. Unglücklicherweise wirft eine derartige Temperatureinstellung ein Problem dahingehend auf, dass die Temperatur der Siliziumschmelze nicht innerhalb eines kurzen Zeitraums zwischen direkt nach dem Ende des Schmelzens des Impfkristalls und dem Beginn des Kristallwachstums gesenkt werden kann und dass der Kristalldurchmesser nach dem Beginn des Kristallwachstums zu klein wird, um eine zum Halten eines schweren Kristallkörpers ausreichende Festigkeit zu haben.
Als Ergebnis von wiederholten Ausführungen durchdachter Untersuchungen hat der vorliegende Erfinder festgestellt, dass es durch die Einstellung einer Drehzahl des Tiegels nach dem Schmelzen des Impfkristalls möglich wird, die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche innerhalb kurzer Zeit mit gutem Ansprechverhalten zu senken, und zwar selbst dann, wenn die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche höher als die Temperatur in einem herkömmlichen Verfahren ist, um die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens zu steigern.

Tabelle 1 zeigt ein Vergleichsergebnis einer Temperaturveränderung einer Silizium-Schmelzoberfläche, eine Zeit, die erforderlich ist, bis die Temperatur abzusinken begann, eine Zeit, die zur Stabilisierung der Temperatur erforderlich war, wenn die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche abgesenkt war, und zwar im Hinblick auf die Absenkung der Temperatur durch Verlangsamung der Drehzahl des Tiegels oder die alleinige Reduzierung der elektrischen Energie der Graphitheizeinrichtung. [Tabelle 1]

	Änderungsbedingungen		ΔT (°C)	t1 (min)	t2 (min)
Temperaturveränderung aufgrund einer Verlangsamung der Tiegeldrehung	0,5 → 0,1 min^–1	Verlangsamung	–7	< 1	9
	1,0 → 0,1 min^–1	Verlangsamung	–10	< 1	10
Temperaturveränderung durch Reduzierung der elektrischen Energie der Heizeinrichtung	150 → 146 kW	nach unten	–5	8	120
	150 → 140 kW	nach unten	–12	5	145

ΔT: Temperaturveränderung der Schmelzoberfläche
t1: Zeit, die erforderlich war, bis die Temperatur zu sinken begann
t2: Zeit, die zur Stabilisierung der Temperatur erforderlich war

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, zeigte der Fall der Verlangsamung der Tiegeldrehung, dass die Temperatur unmittelbar nach der Verlangsamung der Tiegeldrehung zu sinken begann und die Temperatur im Verlauf von ungefähr 10 Minuten mit schnellem Ansprechverhalten stabilisiert war. Im Gegensatz dazu zeigte der Fall der alleinigen Reduzierung der Heizeinrichtungsleistung, dass es eine Zeitverzögerung gab, bis die Temperatur zu sinken begann, und dass die Temperatur nach 2 Stunden vom Beginn der Temperaturabnahme stabilisiert war. Im letzteren Fall zeigt das Temperaturprofil vom Beginn und Ende der Abnahme eine allmähliche Reduzierung, und das Ansprechverhalten ist ganz offensichtlich schlechter als im Falle der Verlangsamung der Tiegeldrehung.
Auf der Grundlage dieser Erkenntnis zog der vorliegende Erfinder in Betracht, dass das vorstehende Verfahren der Verlangsamung der Tiegeldrehung, durch welches es möglich wird, die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche jedes Mal stabil schnell abzusenken, auf das versetzungsfreie Impfverfahren angewendet werden kann. Der Erfinder untersuchte schließlich, ob die Erfolgsrate in Bezug auf ein versetzungsfreies Kristallwachstum unter einer bestimmten Bedingung beim Wachstum eines Silizium-Einkristallblocks durch das versetzungsfreie Impfverfahren ohne den Halsbildungsprozess ein gewünschtes Niveau erreicht, und brachte dann die vorliegende Erfindung zum Abschluss.
Das Ergebnis der Untersuchung wird nachstehend beschrieben.
Bei dieser Untersuchung stellte der vorliegende Erfinder die Temperatur, bei der der Impfkristall geschmolzen wurde, so ein, dass sie höher als der Schmelzpunkt von Silizium lag. Genauer gesagt wurde die Temperatur so eingestellt, dass sie um 5 bis 15°C höher als eine im Stand der Technik verwendete Temperatur (eine herkömmliche Temperatur) lag, um die Erfolgsrate in Bezug auf das versetzungsfreie Kristallwachstum zu steigern.
Hierbei steht ”die herkömmliche Temperatur” für eine ”Temperatur, bei der der Kristalldurchmesser um einen Bereich zwischen 0,3 mm und 2 mm gegenüber dem Kristalldurchmesser nach dem Ende des Schmelzens in einem 3 mm Abschnitt des gezüchteten Kristalls ab einer Position reduziert ist, an der der Schmelzvorgang des Impfkristalls beendet ist”, wie im Patentdokument 5 offenbart (nachstehend wird der Ausdruck verwendet, um eben dieses darzustellen).
Eine spezifische und genaue Temperatur beim Schmelzen muss mit guter Reproduzierbarkeit mit einem Thermometer usw. von außerhalb eines Einkristall-Wachstumsofens genau gemessen werden, wobei die Messung aber sehr schwierig ist. Das Thermometer ist in jedem Einkristall-Wachstumsofen eingebaut, und zwar nicht um einen genauen Absolutwert der Temperatur zu messen, sondern um einen Relativwert der Temperatur in jedem Wachstumsofen zu messen. Die Temperatur, bei der der Impfkristall geschmolzen wird, ist eindeutig höher als der Schmelzpunkt von Silizium, aber eine spezifische Temperaturdifferenz gegenüber dem Siliziumschmelzpunkt kann vom Thermometer nicht angegeben werden.
Hier wurde mit einem im Wachstumsofen eingebauten Thermometer eine Temperatur eingestellt, die um 5 bis 15°C höher als die herkömmliche Temperatur lag.
Dann wurde die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche gemessen, während die Drehzahl des Tiegels um eine eingestellte Spanne in einem eingestellten Bereich verlangsamt wurde, um zu beobachten, wie sich die Temperatur veränderte.

Tabelle 2 zeigt Änderungsverläufe der Tiegeldrehung, Veränderungen ΔT der Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche, die Zeit vom Beginn der Veränderung der Drehzahl des Tiegels bis zum Beginn der Temperaturveränderung, und die Zeit, die zur Stabilisierung der Temperatur ab dem Beginn der Absenkung erforderlich ist. In Tabelle 2 zeigen die Tests Nr. 1 bis Nr. 10 die Ergebnisse für den Fall, in dem die Drehzahl des Tiegels verlangsamt wurde (einschließlich eines Anhaltens der Drehung des Tiegels), wohingegen die Tests Nr. 11 bis Nr. 13 die Ergebnisse für den Fall zeigen, dass die Drehzahl des Tiegels beschleunigt wurde. [Tabelle 2]

Test Nr.	Änderungsverläufe der Tiegeldrehung (min^–1)		ΔT (°C)	t1 (min)	t2 (min)
1	4,0 → 3,0	Verlangsamung	0	-	-
2	3,0 → 2,0	Verlangsamung	0	-	-
3	4,0 → 2,0	Verlangsamung	0	-	-
4	2,0 → 1,0	Verlangsamung	–1	< 1	7
5	1,0 → 0,5	Verlangsamung	–3	< 1	8
6	0,5 → 0,1	Verlangsamung	–7	< 1	9
7	0,1 → 0	Verlangsamung	–4	< 1	8
8	0,5 → 0	Verlangsamung	–11	< 1	10
9	1,0 → 0,1	Verlangsamung	–10	< 1	10
10	1,0 → 0	Verlangsamung	–13	< 1	11
11	0,1 → 0,5	Beschleunigung	+7	< 1	9
12	0,5 → 1,0	Beschleunigung	+3	< 1	8
13	0 → 1,0	Beschleunigung	+13	< 1	11

ΔT: Temperaturveränderung der Silizium-Schmelzoberfläche
t1: Zeit vom Beginn der Veränderung der Drehzahl des Tiegels bis zum Beginn der Temperaturveränderung
t2: Zeit, die zur Stabilisierung der Temperatur ab dem Beginn der Temperaturveränderung erforderlich ist.

Bei den Tests, bei denen die Drehzahl des Tiegels innerhalb des Bereichs einer Drehzahl von 2 min^–1 oder weniger verlangsamt wurde, wurde ein Absenken der Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche beobachtet. Für den Bereich einer Drehzahl von mehr als 2 min^–1 wurde kein Abfallen der Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche festgestellt. Bei den Tests, bei denen die Drehzahl des Tiegels innerhalb des Bereichs einer Drehzahl von 2 min^–1 oder weniger beschleunigt wurde, stieg die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche an.
Bezüglich des Bereichs von 2 min^–1 oder weniger, in welchem die Verringerung der Temperatur beobachtet wurde, zeigte sich als Ergebnis der Zuordnung von Bedingungen zum wirksamen Durchführen der Verlangsamung im Einzelnen und zum Messen einer Temperaturänderung der Silizium-Schmelzoberfläche, dass die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche stark abnahm, wenn die Drehzahl des Tiegels im Bereich von 1 min^–1 oder weniger, insbesondere im Bereich von 0,5 min^–1 oder weniger, verlangsamt wurde.
Die Temperaturveränderung aufgrund der Verlangsamung der Drehzahl des Tiegels wurde mit einem Zweifarben-Thermometer gemessen, das in jedem Einkristall-Wachstumsofen eingebaut war. Wie vorstehend beschrieben, ist dieses Thermometer dazu ausgelegt, einen relativen Wert der Temperatur des Wachstumsofens zu messen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Tests von Nr. 1 bis Nr. 13, die in einem bestimmten Einkristall-Wachstumsofen durchgeführt wurden, und weitere Tests, die in anderen Einkristall-Wachstumsöfen durchgeführt wurden, zeigten ähnliche Ergebnisse der Temperaturveränderung. Mit anderen Worten, es wurde derselbe Grad der Temperaturveränderung (ΔT) in allen Einkristall-Wachstumsöfen mit hervorragender Reduzierbarkeit beobachtet.
Es wird auch ersichtlich, dass die Verringerung der Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche unmittelbar nach Beginn der Verlangsamung der Drehzahl des Tiegels einsetzte, und die Zeit, die zur Stabilisierung der abgesenkten Temperatur erforderlich ist, nur etwa 10 Minuten beträgt. Die Temperatur der Siliziumschmelze wird üblicherweise durch Veränderung der elektrischen Energie der Graphitheizeinrichtung gesteuert. Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist die Siliziumschmelze im Tiegel zum Herstellen eines schweren Kristalls unglücklicherweise sehr schwer und weist eine hohe Wärmekapazität auf, und es ist schwierig, die Temperatur der Siliziumschmelze in kurzer Zeit zu senken. Dementsprechend verändert sich die Temperatur der Siliziumschmelze in Ansprechung auf die Veränderung der elektrischen Energie der Graphitheizeinrichtung langsam. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Verlangsamung der Tiegeldrehung, dass die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche nicht nur schnell gesenkt sondern auch schnell stabilisiert werden kann.
Der Grund dafür liegt darin, dass die Verlangsamung der Tiegeldrehung das Fließen eines Konvektionsstroms der Siliziumschmelze mit relativ hoher Temperatur vom Nahbereich einer Tiegelwand nahe der Graphitheizeinrichtung in Richtung auf eine zentrale Oberfläche des Tiegels abschwächt, wodurch die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche in der Tiegelmitte abnimmt. Die Temperaturabnahme der Silizium-Schmelzoberfläche in der Tiegelmitte, die durch eine Veränderung der Konvektion der Siliziumschmelze verursacht wird, geht schnell vonstatten, im Gegensatz zu einer langsamen Temperaturveränderung aufgrund von Wärmeleitung oder Strahlungshitze seitens der Graphitheizeinrichtung.
Da eine derartige Temperaturabnahme der Silizium-Schmelzoberfläche aufgrund der Verlangsamung der Drehzahl des Tiegels schnell voranschreitet, kann die Verlangsamung der Tiegeldrehung während des Schmelzen des Impfkristalls dazu führen, dass die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche während des Schmelzens abnimmt und das Ende des Impfkristalls daran gehindert wird, schnell zu schmelzen, und dann in festem Zustand in die Siliziumschmelze eintaucht, was zur Erzeugung von Gleitversetzungen führt. Die Tiegeldrehung muss dementsprechend frühestens nach dem Ende des Schmelzens verlangsamt werden. Wenn die Zeitvorgabe zur Verlangsamung der Drehung des Tiegels spät angesetzt ist, erfolgt eine Temperaturreduzierung der Silizium-Schmelzoberfläche aufgrund der Verlangsamung der Tiegeldrehung zu spät, kann ein zum Halten eines schweren Kristalls erforderlicher Durchmesser möglicherweise nicht mehr als Durchmesser nach dem Kristallwachstum erreicht werden und muss somit die Zeitvorgabe zur Verlangsamung der Tiegeldrehung auf einen Wert von maximal 10 Minuten ab dem Beginn des Kristallwachstums eingestellt werden.
Das Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht eines Teils des Innenaufbaus eines Ofens, in dem ein Silizium-Einkristall wachsen gelassen wird.
Zuerst wird ein Endabschnitt 6 eines von einem Impfkristallhalter 7 gehaltenen, spitz zulaufenden Impfkristalls 5 mit einer Siliziumschmelze 4 in Kontakt gebracht.
Hier wird für einen Impfkristall, der im Rahmen des versetzungsfreien, ohne Halsbildung stattfindenden Impfverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, vorzugsweise ein Impfkristall übernommen, der herkömmlicherweise für das versetzungsfreie Impfverfahren verwendet wird, einen Endabschnitt aufweist, der mit der Siliziumschmelze in Kontakt gebracht wird und zu einer spitzen oder kegelstumpfartigen oder pyramidenartigen Form ausgebildet wird, und auch über einen Korpus verfügt, der in eine zylindrische oder prismatische Form gebracht wurde. Daher umfasst der spitz zulaufende Impfkristall in der vorliegenden Erfindung einen solchen Impfkristall.
Nachdem der Endabschnitt 6 mit der Siliziumschmelze 4 in Kontakt gebracht wurde, wird der Impfkristall 5 in der Siliziumschmelze 4 geschmolzen, bis eine Position eines vorbestimmten Durchmessers erreicht ist, zum Beispiel eines Mindestdurchmessers, der zur Halterung eines zu züchtenden Einkristallblocks erforderlich ist.
Dieser Vorgang zum Schmelzen des Impfkristalls 5 wird unter Drehung des Tiegels 1 ausgeführt, der einen Doppelaufbau hat, der gebildet wird, indem ein innerer Quarztiegel 1a und ein äußerer Graphittiegel 1b (mit einer Tiegelhalterung 2, auf der ein Bodenabschnitt eines Hauptkörpers des Graphittiegels 1b aufgesetzt ist, um diesen Tiegel einstückig zu haltern) kombiniert werden, und an einem Ständer 3 (eine drehbare und anhebbare/absenkbare Tragwelle, die mit 2 min^–1 oder weniger gedreht werden kann) angebracht und fixiert ist.
Die Drehung des Tiegels wird während des Schmelzens auf 2 min^–1 oder weniger eingestellt, da dies der Bereich ist, der sich dazu eignet, die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche mit guter unmittelbarer Auswirkung mittels einer Verlangsamung der Drehung des Tiegels zu reduzieren, wie in Tabelle 2 gezeigt ist.
Zusätzlich ist, obwohl nicht insbesondere darauf beschränkt, wie in Tabelle 2 gezeigt, bei Verlangsamung der Drehung des Tiegels ausgehend von 1 min^–1 oder einer Verlangsamung der Drehung des Tiegels ausgehend von 0,5 min^–1 die Temperaturverringerung der Schmelzoberfläche beträchtlich, und somit ist eine Einstellung von 0,5 min^–1 oder mehr für die Drehung des Tiegels während des Schmelzens weiter bevorzugt.
Wenn der Impfkristall 5 langsam gezogen wird, während er auf der Grundlage der Drehung 9 eines Impfkristalldrahts 8 in Drehung versetzt ist, dann wird weiter ein Silizium-Einkristall nach dem Ende des Schmelzens des Impfkristalls 5 gezüchtet. Dabei wird innerhalb von 10 Minuten nach Beginn des Kristallwachstums ab dem Ende des Schmelzvorgangs die Drehung 10 des Tiegels über die während des Schmelzens bestehende Tiegeldrehrate hinaus verlangsamt.
Um ein Übergangsintervall ab dem Ende des Schmelzvorgangs bis zum Beginn des Kristallwachstums so weit wie möglich zu verkürzen, ist es bevorzugt, die Verlangsamung der Drehung des Tiegels innerhalb von 5 Minuten ab dem Beginn der Verlangsamung abzuschließen.
Wenn die Drehung des Tiegels über die während des Schmelzens bestehende Tiegeldrehrate hinaus innerhalb von 10 Minuten nach dem Beginn des Kristallwachstums vom Ende des Schmelzens verlangsamt wird, kann die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche mit guter unmittelbarer Wirkung abgesenkt werden, wobei insbesondere die Vollendung der Verlangsamung des Tiegels innerhalb von 5 Minuten ab dem Beginn der Verlangsamung es möglich macht, zu einer Durchmessererweiterung überzugehen, während gleichzeitig ein Durchmesser beibehalten wird, der als Durchmesser nach dem Kristallwachstum zum Halten eines schweren Kristalls erforderlich ist, selbst wenn die Temperatur während des Schmelzens hoch genug ist und der Prozess unmittelbar nach dem Ende des Schmelzvorgangs zum Kristallwachstum übergeht.
Wie vorstehend beschrieben ist, kann durch die technische Vorgehensweise zur Reduzierung der elektrischen Energie der erwärmenden Graphitheizeinrichtung alleine die Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche nicht mit guter unmittelbarer Wirkung ausreichend gesenkt werden, aber die Temperatur der zentralen Oberfläche des Tiegels, in dem der Impfkristall geschmolzen wird, kann mit guter unmittelbarer Wirkung gesenkt werden, indem die Drehung des Tiegels verlangsamt wird.
Wenn diese Temperaturreduzierung mit der guten unmittelbaren Wirkung genutzt wird, kann der Prozess, obwohl die Temperatur beim Schmelzvorgang ausreichend hoch ist, ”innerhalb von 0 bis 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzvorgangs” zum Kristallwachstum übergehen, während denen die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall verbessert werden kann, und nach dem Kristallwachstum kann als Durchmesser ein Durchmesser erhalten werden, der zum Haltern eines schweren Kristalls erforderlich ist.
Es erübrigt sich zu sagen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung der Temperatur der Silizium-Schmelzoberfläche die Verlangsamung der Drehung des Tiegels und die Absenkung der elektrischen Energie der erhitzenden Graphitheizeinrichtung gleichzeitig ausgeführt werden können.
Wenn die Temperatur beim Schmelzen erhöht ist, kann es in manchen Fällen vorkommen, dass in einem Anfangsstadium des Schmelzens ab dem Auftreffen auf der Siliziumschmelze der für ein versetzungsfreies Impfen ausgelegte, spitz zulaufende Impfkristall abgetrennt wird. Wenn die Temperatur beim Schmelzen eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt von Silizium ist, kann der Impfkristall an die Siliziumschmelze angepasst werden und wird nicht abgetrennt. Wenn allerdings die Temperatur beim Schmelzen erhöht ist, wird während des Schmelzens im Anfangsstadium, in dem der Impfkristall schmal ist, der Impfkristall ab dem Auftreffen auf der Flüssigkeit mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit schnell geschmolzen und von der Siliziumschmelze abgetrennt.
Wenn der Impfkristall im Anfangsstadium des Schmelzvorgangs, in dem das Ende schmal ist, von der Siliziumschmelze abgetrennt wird, wird eine Endform des Impfkristalls flach und entspricht nicht mehr seiner ursprünglichen spitzen Form. Der Endabschnitt wird in erster Linie in die spitze Form gebracht, um eine erfolgreiche versetzungsfreie Impfung zu unterstützen, weil dessen Zweck darin besteht, einen Kontaktbereich zur Siliziumschmelze zu reduzieren, einen Wärmeschock oder einen steilen Temperaturgradienten in Bezug auf den Impfkristall zu vermeiden und die Einbringung von Gleitversetzungen zu verhindern, so dass ein Impfkristall, der während des Schmelzens abgetrennt wird und über ein abgeflachtes Ende verfügt, zwar immer noch eine ausreichend kleine Querschnittsfläche am Ende hat, aber ausgehend vom abgeflachten Ende mit hoher Wahrscheinlichkeit Gleitversetzungen eingebracht werden, wenn der Schmelzvorgang unverändert fortgeführt wird, was ganz offensichtlich eine Ursache für eine Reduzierung der Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfens sein kann.
Daher kann in einem solchen Fall der Vorgang des Schmelzens des Impfkristalls in der Schmelze bei einer Schmelzrate von 1 mm/min oder mehr und 10 mm/min oder weniger im Bereich eines Impfkristalldurchmessers ausgeführt werden, der 6 mm vom Endabschnitt 6 ist.
Im Falle eines weiteren Schmelzens des Impfkristalls braucht die Schmelzrate nicht erhöht zu werden und kann zum Beispiel auf 0,5 mm/min oder mehr und 5 mm/min oder weniger eingestellt werden.

Tabelle 3 zeigt eine Übersicht der Temperatur beim Schmelzen, eine Schmelzrate zwischen dem Ende des Impfkristalls und einem Abschnitt mit einem Kristalldurchmesser von 6 mm, und ein Ereignis, bei dem sich der Impfkristall während des Schmelzens unter diesen Bedingungen löst. [Tabelle 3]

Temperatur beim Schmelzen	Schmelzrate zwischen dem Ende eines Impfkristalls und einem Abschnitt mit einem Kristalldurchmesser von 6 mm	Ereignis, bei dem sich der Impfkristall während des Schmelzens trennt
Herkömmliche Temperatur	0,5 mm/min	4%
	1 mm/min	0%
	5 mm/min	0%
	5 → 1 mm/min	0%
	10 mm/min	0%
Herkömmliche Temperatur +5°C	0,5 mm/min	30%
	1 mm/min	5%
	5 mm/min	0%
	5 → 1 mm/min	0%
	10 mm/min	0%
Herkömmliche Temperatur +10°C	0,5 mm/min	40%
	1 mm/min	8%
	5 mm/min	0%
	5 → 1 mm/min	0%
	10 mm/min	0%
Herkömmliche Temperatur +15°C	0,5 mm/min	50%
	1 mm/min	10%
	5 mm/min	0%
	5 → 1 mm/min	0%
	10 mm/min	0%

Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, tritt bei einem Schmelzvorgang bei einer Temperatur, die 5 bis 15°C höher liegt als die herkömmliche Temperatur, die Abtrennung des Impfkristalls während des Schmelzens tendenziell ohne weiteres mit steigender Temperatur beim Schmelzen auf, wobei aber durch die Einstellung der Schmelzrate auf 1 mm/min oder mehr die Wahrscheinlichkeit verringert werden kann, dass der Impfkristall während des Schmelzvorgangs abgetrennt wird, und zwar selbst bei einem Schmelzen im Anfangsstadium, in dem der Impfkristall schmal ist. Selbst wenn die Temperatur beim Schmelzen hoch ist, ist es möglich, einen Anstieg der Temperatur beim Schmelzen durch Anpassung der Schmelzrate zurechtzukommen, da das Abtrennen des Impfkristalls während des Schmelzens reduziert werden kann, wenn die Schmelzrate erhöht wird.
Wenn darüber hinaus die Schmelzrate 10 mm/min oder weniger beträgt, ist es, da der Impfkristall an der Schmelzoberfläche rasch geschmolzen wird, möglich, eine Situation zu verhindern, bei der der Impfkristall im festen Zustand in die Siliziumschmelze einsinkt und Gleitversetzungen eingebracht werden, so dass die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall noch weiter verbessert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, kann während des Durchführens des Vorgangs des Schmelzens des Impfkristalls in der Schmelze in einem Bereich, in dem die Temperatur an der Schmelzoberfläche in ausreichendem Maße höher ist als insbesondere der Schmelzpunkt von Silizium, das Durchführen dieses Vorgangs im Bereich von 1 mm/min oder mehr und 10 mm/min oder weniger als Schmelzrate in dem Stadium, in dem ein Impfkristalldurchmesser nur 6 mm oder weniger breit ist, was einem Anfangsstadium des Schmelzens entspricht, die Situation vermieden werden, dass der Impfkristall von der Siliziumschmelze im Anfangsstadium des Schmelzens ab dem Beginn des Auftreffens des Impfkristalls abgetrennt wird. Wenn der Impfkristall von der Siliziumschmelze abgetrennt wird, verändert sich die Endform des Impfkristalls zu einer flachen Form und entspricht nicht mehr seiner ursprünglichen spitz zulaufenden Form, werden höchstwahrscheinlich Gleitversetzungen eingebracht, die sich aufgrund eines Wärmeschocks oder eines scharfen Temperaturgradienten am Impfkristall ergeben, wenn der Schmelzvorgang eines solchen Impfkristalls fortgeführt wird, und ist die Erfolgsrate des versetzungsfreien Impfverfahrens herabgesetzt, wobei dieses Problem aber durch Anpassung der Schmelzrate vermieden werden kann.
BEISPIELE
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend im Einzelnen mit Bezug auf ein Beispiel und ein Vergleichsbeispiel beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung aber nicht hierauf beschränkt ist.
[Beispiel und Vergleichsbeispiel]
Mit dem versetzungsfreien Impfverfahren wurden Silizium-Einkristalle unter den in Tabelle 4 gezeigten Bedingungen hergestellt.
Tabelle 4 zeigt die Erfolgsrate in Bezug auf ein versetzungsfreies Kristallwachstum, wenn der Durchmesser eines Konusabschnitts durch das versetzungsfreie Impfverfahren auf 300 mm erhöht wurde.
Der Ausdruck ”die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall”, wie er hier verwendet wird, ist definiert durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Kristallhabituslinie, wenn der Durchmesser des Konusabschnitts auf 300 mm erhöht war, und der versetzungsfreie Kristall wird als verfehlt angesehen, wenn während des Wachstums die Kristallhabituslinie verschwindet. Diese Rate stellt ein Verhältnis der Häufigkeit dahingehend, wie oft der versetzungsfreie Kristall erhalten wurde, bis der Konusdurchmesser 300 mm wird, zur Gesamtanzahl der Versuche dar. Die Gesamtanzahl der Versuche lag im Beispiel und Vergleichsbeispiel bei 20.

Die ”Schmelzrate” in Tabelle 4 stellt eine Schmelzrate dar, mit der der Impfkristall vom Ende bis zu einem Abschnitt mit einem Durchmesser von 6 mm geschmolzen wurde. In den Fällen eines beim Schmelzen bestehenden Durchmessers von 8 mm und 10 mm war die Schmelzrate während des Schmelzens des Impfkristalls über einem Abschnitt mit einem Durchmesser von 6 mm gleich der Schmelzrate beim Schmelzen des Abschnitts mit einem Durchmesser von 6 mm. Das Kristallwachstum setzte unmittelbar nach dem Ende des Schmelzvorgangs ein. [Tabelle 4]

	Temperatur beim Schmelzen	Schmelzrate	Tiegeldrehung nach dem Schmelzen	Durchmesser beim Schmelzen	Erfolgsrate des versetzungsfreien Kristalls	Anmerkungen
Vergleichsbeispiel 1	Herkömmliche Temperatur	0,8 mm/min	keine Veränderung (unverändert bei 0,5 min^–1)	6 mm	80%	-
Vergleichsbeispiel 2				8 mm	70%	-
Vergleichsbeispiel 3				10 mm	5%	-
Vergleichsbeispiel 4	Herkömmliche Temperatur + 10°C			6 mm	0%	abgebrochen, weil der Kristalldurchmesser nach Beginn des Kristallwachstums weniger als 5 mm betrug
Vergleichsbeispiel 5				8 mm	0%
Vergleichsbeispiel 6				10 mm	0%
Beispiel 1			von 1,0 → 0,1 min^–1 innerhalb von 1 min nach dem Ende des Schmelzens (die zur Änderung benötigte Zeit betrug 1 min)	6 mm	95%	-
Beispiel 2				8 mm	90%	-
Beispiel 3				10 mm	90%	-
Beispiel 4		5 → 1 mm/min		6 mm	100%	-
Beispiel 5				8 mm	95%	-
Beispiel 6				10 mm	95%	-

Tabelle 4 zeigt die Erfolgsrate für ein versetzungsfreies Kristallwachstum, wenn die Versuche beim Schmelzen unter Bedingungen von zwei Temperaturniveaus, mit zwei Höhen der Schmelzrate, zwei Höhen der Einstellung der Tiegeldrehung nach dem Ende des Schmelzens und mit drei Durchmesserstufen beim Schmelzen ausgeführt wurden.
Wie in Tabelle 4 gezeigt ist, betrug bei den Bedingungen einer herkömmlichen Temperatur, einer Schmelzrate von 0,8 mm/min und einer Tiegeldrehung mit einer Drehzahl von unverändert 0,5 min^–1 nach dem Ende des Schmelzens (Vergleichsbeispiele 1 bis 3) die Erfolgsrate eines versetzungsfreien Kristalls 70% oder mehr bei einem beim Schmelzen eingestellten Durchmesser von 6 mm und 8 mm, wohingegen die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall stark abnahm, wenn der Durchmesser beim Schmelzen auf 10 mm eingestellt wurde. Als Grund dafür, warum die Erfolgsrate sank, wenn der Durchmesser beim Schmelzen eine Größe von 10 mm hatte, wird folgender Umstand angesehen: Da die herkömmliche Temperatur nicht ausreichend hoch war, wurde der Impfkristall im letzten Stadium des Schmelzvorgangs, in welchem der Durchmesser des zu schmelzenden Abschnitts allmählich zunimmt, an der Schmelzoberfläche nicht schnell geschmolzen und wurde in festem Zustand in die Siliziumschmelze eingetaucht, so dass Gleitversetzungen erzeugt wurden und die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall abnahm.
In einem Fall, in dem die Temperatur beim Schmelzen um 10°C höher als die herkömmliche Temperatur eingestellt war, wenn die Schmelzrate 0,8 mm/min betrug und die Drehung des Tiegels nach dem Ende des Schmelzens auf 0,5 min^–1 festgesetzt wurde (Vergleichsbeispiele 4 bis 6), wurde der Durchmesser unmittelbar nach Beginn des Kristallwachstums auf 5 mm oder weniger reduziert, wurde ein Fehlschlag festgestellt, da dieser Wert einen Durchmesser darstellte, der eine zum Halten eines schweren Kristalls unzureichende Festigkeit hatte, und wurde die Konusdurchmesseraufweitung abgebrochen. Das heißt, dass eine Verbesserung der Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall nicht erwartet werden kann, indem einfach nur die Temperatur beim Schmelzen auf einen hohen Wert eingestellt wird.
Wenn die Temperatur beim Schmelzen auf 10°C über der herkömmlichen Temperatur eingestellt war, trat unter den Bedingungen, dass die Schmelzrate 0,8 mm/min war und die Drehung des Tiegels nach dem Ende des Schmelzens von 1,0 auf 0,1 min^–1 (Beispiele 1 bis 3) reduziert wurde, ein ungünstiger Umstand dahingehend, dass der Durchmesser zu klein war, selbst nach Beginn des Kristallwachstums nicht auf, und die versetzungsfreie Erfolgsrate lag bei 90% oder mehr und zeigte somit einen hervorragenden Wert für alle drei Durchmesserstufen beim Schmelzen. Es bestätigte sich auch, dass die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall verbessert werden kann, wenn die Temperatur beim Schmelzen erhöht wird.
Wenn darüber hinaus die Temperatur beim Schmelzen auf 10°C über der herkömmlichen Temperatur eingestellt war, trat unter den Bedingungen, dass die Schmelzrate von 5 mm/min auf 1 mm/min reduziert wurde und die Drehung des Tiegels nach dem Ende des Schmelzvorgangs von 1,0 auf 0,1 min^–1 verlangsamt wurde (Beispiele 4 bis 6), eine Abtrennung des Impfkristalls während des Schmelzens nicht auf, obwohl die Temperatur beim Schmelzen hoch eingestellt war, und die Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall verbesserte sich bei allen drei Durchmesserstufen beim Schmelzen auf 95%.
Da sich wie vorstehend beschrieben der Nebeneffekt ergibt, dass der Durchmesser nach Beginn des Kristallwachstums kleiner wird, wenn die Temperatur beim Schmelzen einfach erhöht wird, wird es durch die Ausnutzung einer Temperaturänderung der Siliziumschmelze, verursacht durch eine Änderung bezüglich der Drehung des Tiegels nach Abschluss des Schmelzvorgangs als Gegenmaßnahme ermöglicht, den Nebeneffekt zu verhindern und eine Wirkung vorzusehen, d. h. eine Verbesserung der Erfolgsrate in Bezug auf einen versetzungsfreien Kristall durch Anheben der Temperatur beim Schmelzen. Wenn die Schmelzrate dann zusätzlich noch angepasst wird, kann die Erfolgsrate für einen versetzungsfreien Kristall noch weiter verbessert werden.
Die Anhebung der Temperatur beim Schmelzen ergibt den Vorteil, dass insbesondere dann eine starke Wirkung ausgeübt wird, wenn der Durchmesser beim Schmelzen groß ist. Wie vorstehend beschrieben, ist dies darauf zurückzuführen, dass der Impfkristall beim Schmelzen eines großen Durchmessers an der Schmelzoberfläche nicht schnell geschmolzen wird, der Impfkristall im festen Zustand in die Siliziumschmelze einsinkt und unverzüglich Gleitversetzungen eingebracht werden, was bedeutet, dass das Schmelzen bei einer hohen Temperatur in Bezug auf die Vermeidung dieses Problems effektiv ist. Bei einem ultraschweren Kristall, wie zum Beispiel einem Kristall der nächsten Generation mit einem Durchmesser von 450 mm, wird davon ausgegangen, dass das Kristallgewicht eine 1 Tonne übersteigt, und in diesem Fall ist zum Halten ein Mindestdurchmesser von 10 mm oder mehr erforderlich. Wenn ein Mindestdurchmesser von 10 mm erforderlich ist, beträgt der Durchmesser beim Schmelzen natürlich 10 mm oder mehr. In einem solchen Fall kann die vorliegende Erfindung ihre Wirksamkeit besonders zeigen, wodurch die Situation vermieden wird, dass sich der Durchmesser nach dem Beginn des Kristallwachstums reduziert und die Festigkeit zum Halten eines schweren Kristalls unzureichend ist.
Es ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist. Die vorstehende Ausführungsform ist lediglich ein veranschaulichendes Beispiel, wobei jedes Beispiel, das weitgehend dieselbe Konfiguration hat und dieselben Funktionen und Wirkungen wie das technische Konzept ausübt, das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, vom technischen Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst sind.
So wird zum Beispiel in der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ein Konusdurchmesser-Erweiterungsabschnitt mit einem Durchmesser von 300 mm gezüchtet, und es ist möglich, in hinreichendem Maße mit einem Durchmesseranstieg auf einen Durchmesser von 400 mm (16 Zoll) zurechtzukommen, von dem man in Zukunft ausgehen kann, und, noch ferner in der Zukunft, auch mit einem ultraschweren Kristall wie zum Beispiel einem Kristall mit einem Durchmesser von 450 mm. Da in der vorliegenden Erfindung keine Halsbildung erfolgt und keine Versetzungen erzeugt werden, kann, wenn ein Grenzwert oder ein unterer Wert der physischen Beschaffenheit eines Silizium-Einkristalls selbst auch auf das Ziehen eines Einkristall-Rohblocks mit beliebigem Durchmesser angewendet werden kann, jede Länge und jedes hohe Gewicht im Prinzip ohne Verwendung einer komplizierten Vorrichtung wie einer Kristallhaltevorrichtung hergestellt werden.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung nicht nur auf das reguläre Czochralski-Verfahren angewendet werden, sondern auch auf ein MCZ-Verfahren (Czochralski-Kristallwachstumsverfahren mit angelegtem Magnetfeld) zum Anlegen eines Magnetfelds beim Ziehen eines Silizium-Einkristalls.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, umfassend: Inkontaktbringen eines spitzen Ende eines Impfkristalls mit einer Siliziumschmelze; Schmelzen des Impfkristalls in der Siliziumschmelze vom Ende bis zu einer Position, an der der Impfkristall einen vorbestimmten Durchmesser hat; und dann Züchten des Silizium-Einkristalls ohne einen Dash-Necking-Prozess, wobei der Impfkristall geschmolzen wird, während ein Tiegel mit einer Drehzahl von 2 min^–1 oder weniger gedreht wird, und die Drehzahl des Tiegels innerhalb von 10 Minuten nach dem Ende des Schmelzvorgangs und dem Beginn des Kristallwachstums auf einen Wert unterhalb der beim Schmelzen herrschenden Drehzahl verlangsamt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach Anspruch 1, wobei der Impfkristall in der Siliziumschmelze mit einer Schmelzrate zwischen 1 mm/min und 10 mm/min vom Ende bis zu einer Position geschmolzen wird, bei der der Impfkristall einen Durchmesser von 6 mm hat.
Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Drehzahl des Tiegels auf eine Drehzahl verlangsamt wird, die um 0,1 min^–1 niedriger oder höher als die beim Schmelzen herrschende Drehzahl liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Silizium-Einkristalls nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Drehzahl des Tiegels innerhalb von 5 Minuten oder weniger verlangsamt wird.