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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls anhand des Czochralski-Verfahrens (als CZ-Verfahren bezeichnet).
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STAND DER TECHNIK
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In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Leistungs-MOS-Halbleitern gestiegen. Es wurde somit zunehmend wichtig, Silicium-Einkristallsubstrate des N-Typs zu entwickeln, die einen geringen spezifischen Widerstand aufweisen und hoch mit einem flüchtigen Dotierstoff wie Antimon (Sb), Arsen (As) oder Phosphor (P) als Substrate zur Verwendung in diesen Halbleitern dotiert sind. Solche Silicium-Einkristallsubstrate können durch das Zerteilen eines Silicium-Einkristallbarrens erzielt werden, der hauptsächlich anhand des CZ-Verfahrens hergestellt wird.
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Das Herstellen eines Silicium-Einkristallbarrens anhand des CZ-Verfahrens beginnt mit dem Chargieren von Rohmaterial wie polykristallinem Silicium in einen Quarztiegel, der in einer Kammer angeordnet ist. Nach dem Hinzufügen des Dotiermittels zum Rohmaterial wird das resultierende Rohmaterial erhitzt und von einer Heizvorrichtung zu einer Schmelze geschmolzen. Ein an einem Keimhalter angebrachter Impfkristall wird von einem oberen Teil der Kammer abgesenkt, um das Impfkristall mit der Schmelze in Kontakt zu bringen. Der Impfkristall wird gedreht und langsam gezogen, um ein Einkristall zu züchten.
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Wie in 3 gezeigt, beinhaltet das Züchten des Einkristalls das Vergrößern des Durchmessers des Einkristalls auf einen gewünschten Durchmesser, um einen Kegel auszubilden, und dann das Steuern der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur der Schmelze, um einen geraden Körper auszubilden.
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Mit dem CZ-Verfahren ist es jedoch sehr schwierig, einen mit dem Dotierstoff hoch dotieren Einkristall herzustellen, da insbesondere während der Zeit von der Ausbildung des Kegels bis kurz vor dem Ausbilden des geraden Körpers häufig Versetzungen entstehen. Dadurch wird die Produktionseffizienz schlechter. Im schlechtesten Fall kann es unmöglich sein, einen Einkristall zu erzielen.
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In Anbetracht dieser Problemstellung ist es bekannt, dass ein Kegelwinkel des Kegels in mindestens zwei Phasen während seines Ausbildens vergrößert wird, um das Entstehen von Versetzungen zu verhindern (siehe Patentschrift 1).
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LISTE DER BEZUGSVERWEISE
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PATENTLITERATUR
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- Patentschrift 1: Japanische Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2009-292659
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHE PROBLEMSTELLUNG
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Wie in 2 gezeigt, bedeutet der hierin beschriebene Kegelwinkel einen Winkel θ, der zwischen der Züchtungsrichtung A eines Silicium-Einkristalls und der Seitenfläche seines Kegels 17 gebildet wird. Es ist zu beachten, dass 2 lediglich einen schematischen Schnitt der Seitenfläche des Kegels zeigt. Der tatsächliche Schnitt der Seitenfläche des Kegels ist im Gegensatz zum in 2 gezeigten schematischen Schnitt nicht gerade. Der Winkel θ ist an verschiedenen Positionen der Seitenfläche unterschiedlich.
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Das obengenannte, in Patentschrift 1 offenbarte Verfahren kann jedoch das Entstehen von Versetzungen nicht ausreichend verhindern, wenn Silicium-Einkristalle des N-Typs, die wie oben beschrieben eine Kristallorientierung von <100> und geringen spezifischen Widerstand aufweisen (insbesondere einen spezifischen Widerstand von 0,05 Ωcm oder darunter) hergestellt werden, und hierin liegt das Problem.
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Um das Entstehen von Versetzungen zu verhindern, kann die Ziehgeschwindigkeit während der Kegelbildung auf experimentelle Weise herabgesetzt werden, um einen Kegel mit einem kleineren Kegelwinkel auszubilden. Das Verkleinern des Kegelwinkels vergrößert jedoch die Höhe des Kegels und somit sein Gewicht auf das dreifache seines Normalgewichts. Infolge dessen nehmen die Ausbeute und die Produktivität ab.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Problemstellung gemacht. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens, das einen Silicium-Einkristall des N-Typs, der einen geringen spezifischen Widerstand und eine Kristallorientierung von <100> aufweist, ohne die Ausbeute und die Produktivität zu reduzieren, während das Entstehen von Versetzungen während des Ausbildens eines Kegels verhindert wird.
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PROBLEMLÖSUNG
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Um dieses Ziel zu erreichen, sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Silicium-Einkristalls des N-Typs, der einen spezifischen Widerstand von 0,05 Ωcm oder darunter und eine Kristallorientierung von <100> aufweist, anhand eines Czochralski-Verfahrens vor, das Folgendes umfasst: Inkontaktbringen eines Impfkristalls mit einer Schmelze von Rohmaterial, die in einem Tiegel enthalten ist, wobei die Schmelze mit Dotierstoff dotiert ist; Ausbilden eines Kegels, während ein Kegelwinkel θ so eingestellt wird, dass ein Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu einer Länge L einer Seitenfläche des Kegels 20% oder weniger beträgt, wobei der Kegelwinkel θ zwischen einer Züchtungsrichtung der Silicium-Einkristalls und der Seitenfläche des Kegels ausgebildet ist, wenn der Kegel in einer Richtung eines Durchmessers des Silicium-Einkristalls gesehen wird; und sukzessives Ausbilden eines geraden Körpers.
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Ein solches Herstellungsverfahren kann einen Bereich mit einem Kegelwinkel θ von 35,2° reduzieren, in dem Versetzungen während der Kegelausbildung besonders leicht entstehen können, und verhindern, dass die Höhe des Kegels zunimmt, wodurch ermöglicht wird, dass das Entstehen von Versetzungen zuverlässig verhindert wird, ohne die Ausbeute und die Produktivität zu reduzieren.
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Der Dotierstoff kann einer der Stoffe Antimon (Sb), Arsen (As) und Phosphor (P) sein.
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Auf diese Weise kann das Verfahren den Silicium-Einkristall des N-Typs erzielen, der mit einem gewünschten Dotierstoff dotiert ist.
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Der Kegelwinkel θ wird vorzugsweise eingestellt, indem entweder eine Ziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls herabgesetzt oder eine Drehzahl des Tiegels geändert wird, wenn der Kegel ausgebildet wird.
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Auf diese Weise kann das Verfahren den Kegelwinkel θ schnell einstellen, da die Ziehgeschwindigkeit und die Drehzahl mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit geändert werden können.
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Während der zweiten Hälfte des Ausbildens des Kegels wird der Kegelwinkel θ vorzugsweise bei mehr als 45° gehalten, indem entweder die Ziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls herabgesetzt oder die Drehzahl des Tiegels geändert wird.
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Auf diese Weise kann das Verfahren den Kegelwinkel θ leicht einstellen, um das oben genannte Verhältnis zu erzielen und die zum Ausbilden des Kegels erforderliche Zeit herabzusetzen, indem die Höhe des Kegels verkleinert und dadurch eine Verbesserung der Ausbeute und der Produktivität erzielt wird.
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Während des Züchtens des Silicium-Einkristalls kann ein horizontales Magnetfeld mit einer zentralen Magnetfeldstärke von 0,15 T oder darüber auf die Schmelze angewendet werden.
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Auf diese Weise kann das Verfahren die Konvektion der Schmelze im Tiegel verhindern und Temperaturschwankungen in der Nähe der Kristallzüchtungsgrenzfläche reduzieren, wodurch es möglich wird, eine einheitliche Konzentrationsverteilung des im Kristall aufgenommenen Dotierstoffs aufrechtzuerhalten. Außerdem kann das Verfahren das Einführen von Punktdefekten in den Kristall verhindern.
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VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist durch das Ausbilden eines Kegels gekennzeichnet, während ein Kegelwinkel θ so eingestellt wird, dass ein Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen, die jeweils einem Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu einer Länge L 20% oder weniger beträgt, wobei der Kegelwinkel θ zwischen der Züchtungsrichtung des Silicium-Einkristalls und der Seitenfläche des Kegels ausgebildet ist, wenn der Kegel in einer Durchmesserrichtung des Silicium-Einkristalls gesehen wird, und die Länge L die Länge der Seitenfläche des Kegels ist. Die Erfindung kann somit einen Bereich mit einem Kegelwinkel θ von 35,2° reduzieren, in dem Versetzungen während der Kegelausbildung besonders leicht entstehen können, und verhindern, dass die Höhe des Kegels zunimmt, wodurch ermöglicht wird, dass das Entstehen von Versetzungen zuverlässig verhindert wird, ohne die Ausbeute und die Produktivität zu reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen zur Verwendung in der Implementierung des beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines Einkristalls;
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2 einen schematischen Schnitt, der die Kegelform eines Silicium-Einkristalls darstellt;
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3 ein schematisches Diagramm der Form eines Kegels und eines geraden Körpers eines Silicium-Einkristalls, die anhand eines herkömmlichen Verfahrens zum Herstellen von Einkristallen erzielt wird;
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4 eine grafische Darstellung, die die Messergebisse der Kegelform in den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt; und
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5 eine grafische Darstellung, die die Messergebisse des Kegelwinkels θ in den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen 1 und 2 zeigt.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
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Wie zuvor beschrieben, entstehen Versetzungen häufig während des Ausbildens eines Kegels, wenn ein hochdotiertes Silicium-Einkristall des N-Typs mit einer Kristallorientierung von <100> hergestellt wird. Die vorliegenden Erfinder untersuchten dieses Problem und stellten infolgedessen fest, dass auf der Oberfläche des Kegels häufig eine Facette erscheint, bevor dort die Versetzungen entstehen. Es kann verstanden werden, dass das Kristallwachstum an der Grenze zwischen der Vorderseite des Wachstums und einem Teil, der mit einer konstanten Temperatur gezüchtet wird, instabil wird, wenn die Facette erscheint, und dies der Grund für das Entstehen der Versetzungen ist. Die Erfinder zogen ferner in Betracht und fanden heraus, dass diese Versetzungen weder abhängig von der Ziehgeschwindigkeit noch der Temperaturverteilung sondern abhängig von der Form des Kegels entstanden. Insbesondere entstehen die Versetzungen leicht, wenn eine (111)-Fläche ausgebildet wird.
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Wie in 3 gezeigt, weist ein Kegel eines Silicium-Einkristalls, der anhand des herkömmlichen Verfahrens gefertigt wurde, die Form einer Schale auf. Es wird angenommen, dass eine dieser Schale ähnliche Form am stabilsten ist. Die Versetzungen entstehen jedoch leicht in einem Bereich, in dem eine Facette ausgebildet wird, die sich aus einer (111)-Fläche zusammensetzt. In 3 sind solche Bereiche von Kreisen umschlossen. Es ist bekannt, dass sich beim Herstellen eines Einkristalls mit einer Kristallorientierung von <100> die (111)-Fläche am leichtesten ausbilden lässt, wenn der Kegelwinkel 35,2 ist.
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Der obere eingekreiste Bereich in 3 wird ausgebildet, wenn der Kegelwinkel θ durch das Vergrößern des Durchmessers vergrößert und in der ersten Hälfte der Ausbildung des Kegels an 35,2 angenähert wird. Danach überschreitet der Kegelwinkel θ 35,2° einmal und wird dann in der zweiten Hälfte des Ausbildens des Kegels verkleinert. Während dieses Vorgangs wird der andere eingekreiste Bereich ausgebildet, wenn der Kegelwinkel θ, wie später beschrieben, wieder auf ungefähr 35,2 angenähert wird.
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Aufgrund dieser Erkenntnisse erachteten die Erfinder das Reduzieren eines Bereichs, der einen Kegelwinkel θ von 25° bis 45° aufweist als Möglichkeit, das Entstehen von Versetzungen zu verhindern, wodurch die Erfindung fertiggestellt ist.
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Eine Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen, die für das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Silicium-Einkristallen verwendet werden kann, wird nun beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt, beinhaltet die Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen 1 eine Hauptkammer 2, eine Ziehkammer 3, die über der Hauptkammer 2 angeordnet und mit dieser verbunden ist. In der Hauptkammer 2 sind Tiegel 4 und 5 und eine Heizvorrichtung 7 untergebracht, um in den Tiegeln 4 und 5 enthaltenes Rohmaterial zu erhitzen und zu einer Schmelze 6 aus dem Rohmaterial zu schmelzen.
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Ein Ziehmechanismus 9 ist über der Ziehkammer 3 angebracht und so ausgebildet, dass er einen gezüchteten Einkristall 8 rotiert und zieht. Der über der Ziehkammer 3 angeordnete Ziehmechanismus 9 spult einen Draht 10 ab, dessen eines Ende mit einem Keimhalter 11 verbunden ist. Der Keimhalter 11 hält an seinem Ende einen Impfkristall 12. Der Einkristall 8 wird unter dem Impfkristall 12 gezüchtet, indem der Impfkristall 12 mit der Schmelze 6 in Kontakt gebracht und der Draht 10 mithilfe des Ziehmechanismus 9 aufgespult wird.
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Der Tiegel 4 ist aus Quarz gefertigt, im Tiegel 5 angeordnet und so ausgebildet, dass er die Schmelze 6 direkt enthält; der Tiegel 5 ist aus Grafit gefertigt und so ausgebildet, dass er den Tiegel 4 von außen stützt. Diese Tiegel 4 und 5 werden von einem Tiegeldrehschaft 13 unterstützt, der im unteren Teil der Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen 1 angeordnet ist. Der Tiegeldrehschaft 13 ist nach oben und nach unten drehbar und beweglich. Mit zunehmendem Züchten des Einkristalls nimmt die Menge der Schmelze 6 im Tiegel ab. Das Niveau der Schmelze wird immer konstant gehalten, um Schwankungen des Durchmessers und der Qualität des Kristalls zu vermeiden. Insbesondere hebt ein die Tiegel drehendes und bewegendes Stellglied (nicht gezeigt) die Tiegel 4 und 5, um das Abnehmen der Schmelze aufgrund des Wachstums des Silicium-Einkristalls 8 auszugleichen, während die Tiegel 4 und 5 entgegen der Drehrichtung des Silicium-Einkristalls 8 gedreht werden.
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Die Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen 1 ist auch mit einem Zylinder 14 zum Führen des Gasflusses ausgestattet, der so ausgebildet ist, dass er den zu züchtenden Silicium-Einkristall 8 umgibt. Der Zylinder 14 zum Führen des Gasflusses ist aus Grafit gefertigt und kann so Strahlungshitze von der Heizvorrichtung 7 oder der Schmelze 6 in Richtung des Silicium-Einkristalls 8 abschirmen.
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Ein Inertgas, wie ein Argongas, wird über einen am oberen Teil der Ziehkammer 3 angeordneten Gaseinlass 15 in einen Ofen eingelassen, so dass beispielsweise im Ofen erzeugte Oxide nach außen abgelassen werden. Das Gas wird in die Nähe des gezüchteten Silicium-Einkristalls 8 geführt, indem es in den Zylinder 14 zum Führen des Gasflusses tritt, dann tritt es über der Oberfläche der Schmelze 6 und dem oberen Ende der Tiegel 4 und 5 hindurch, und wird von einem Gasauslass 16 herausgelassen, der am unteren Teil der Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen 1 angeordnet ist. Dieser Gasfluss ermöglicht, dass das Silicium-Einkristall 8 während des Züchtens abgekühlt wird und verhindert die Ansammlung von Oxiden auf der inneren Seitenfläche des Zylinders 14 zum Führen des Gasflusses, dem oberen Ende der Tiegel 4 und 5 und so weiter.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Silicium-Einkristalls wird unten beschrieben. Diese Ausführungsform verwendet die Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen 1, die beispielhaft in 1 gezeigt ist.
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Wie in 1 gezeigt, wird Rohmaterial, hochreines polykristallines Silicium, zuerst in den Tiegeln 4 und 5 von der Heizvorrichtung 7 auf über den Schmelzpunkt (ca. 1420°C) erhitzt und geschmolzen, um die Schmelze 6 zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Dotierstoff wie Antimon (Sb), Arsen (AS) oder Phosphor (P) zur Schmelze 6 hinzugefügt. Die Menge des hinzuzufügenden Dotierstoffs wird so bestimmt, dass der spezifische Widerstand eines zu fertigenden Einkristalls 0,05 Ωcm oder weniger beträgt.
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Dann wird der Draht 10 abgespult, um die Spitze des Impfkristalls 12 an einer im Wesentlichen zentralen Stelle der Schmelze mit dieser in Kontakt zu bringen (ein Impfvorgang). Nötigenfalls kann dieser Impfvorgang einen Vorgang zum Ausbilden eines Halses beinhalten, nachdem der Impfkristall in die Schmelze 6 getaucht wurde, so dass Versetzungen entfernt werden, die während des Impfvorgangs im Kristall entstanden.
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Während der Tiegeldrehschaft 13 dann in eine geeignete Richtung gedreht wird, wird der Draht 10 gedreht und aufgespult, um den Impfkristall 12 nach oben zu ziehen. Das Züchten des Silicium-Einkristalls 8 beginnt mit diesem Vorgang. Beim Kristallzüchten wird der Durchmesser des herzustellenden Silicium-Einkristalls 8 langsam auf einen gewünschten Durchmesser vergrößert, um den Kegel 17 auszubilden.
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2 zeigt schematisch die Form des Kegels 17, wenn der Kegel in Richtung des Durchmessers des Silicium-Einkristalls 8 gesehen wird. Wie in 2 gezeigt, ist der zwischen der Züchtungsrichtung A des Silicium-Einkristalls und der Seitenfläche des Kegels 17 ausgebildete Kegelwinkel durch θ dargestellt, und die Länge der Seitenfläche des Kegels 17 ist durch L dargestellt.
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In der Erfindung wird der Kegel 17 ausgebildet, während der Kegelwinkel θ so eingestellt wird, dass der ausgebildete Kegel die folgenden Bedingungen erfüllt: Die Gesamtsumme der einzelnen Längen seiner geteilten Bereiche, die jeweils einen Kegelwinkel θ von 25° bis 45° aufweisen, beträgt 20 Prozent oder weniger der Länge L der Seitenfläche des Kegels 17.
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Auf diese Weise kann der Bereich, der einen Kegelwinkel θ von 35,2° aufweist, während des Ausbildens des Kegels 17 reduziert werden. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Verfahren das Ausbilden einer (111)-Fläche verhindern und dadurch ermöglichen, dass das Entstehen von Versetzungen verhindert wird. Die Versetzungen entstehen auf dieser (111)-Fläche leicht.
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Nun wird der spezielle Vorgang zum Ausbilden des Kegels 17 beschrieben.
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Nach Beginn der Kegelausbildung wird die Temperatur der Schmelze 6 allmählich herabgesetzt und der Kegelwinkel θ wird langsam vergrößert, um den Durchmesser zu vergrößern. Der Durchmesser wird vorzugsweise Schritt für Schritt vergrößert. Der Grund dafür ist, dass eine schnelle Temperaturänderung zu einer schnellen Veränderung der Form führt, was zum Entstehen von Versetzungen führt, da das Volumen eines kristallisierten Teils und die Hitzekapazität davon zu diesem Zeitpunkt noch klein sind.
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Mit wachsendem Kristall nimmt der Kegelwinkel θ zu. Wenn der Kegelwinkel θ ungefähr 35,2° erreicht, wird jede von vier Kristalllinien, die sich in eine Richtung von <110> erstrecken, in zwei Linien geteilt und die (111)-Fläche wird zwischen den beiden geteilten Linien ausgebildet. Vorzugsweise erscheint die (111)-Fläche, die eine geringe Oberflächenenergie aufweist, und wird wie ein Spiegel.
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Um einen Bereich, der die (111)-Fläche beinhaltet, soweit wie möglich zu reduzieren, wird der Kegelwinkel θ so eingestellt, dass er kleiner als 25 oder größer als 45 ist. Insbesondere wird der Kegelwinkel θ vorzugsweise eingestellt, indem entweder die Ziehgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls 8 herabgesetzt oder die Drehzahl der Tiegel 4 und 5 geändert wird. Obwohl der Kegelwinkel θ auch eingestellt werden kann, indem die Leistung der Heizvorrichtung 7 gesteuert wird, um die Temperatur der Schmelze 6 zu ändern, ist zum Einstellen des Kegelwinkels θ jene Einstellung anhand der Ziehgeschwindigkeit oder der Drehzahl der Tiegel leichter als diese Einstellung, da eine Zeitverzögerung besteht, bevor sich der Kegelwinkel θ aufgrund der Änderung der Temperatur der Schmelze 6 ändert.
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Eine beispielhafte Methode, die einen Abschnitt reduzieren kann, in dem der Bereich ausgebildet wird, der einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 oder eine Periode dazwischen aufweist, beinhaltet das abrupte Herabsetzen der Ziehgeschwindigkeit, wenn der Kegelwinkel θ beispielsweise ungefähr 25 erreicht, und somit das Vergrößern des Kegelwinkels θ. Im Gegensatz zum Verändern der Schmelzetemperatur aufgrund der Einstellung der Heizvorrichtungsleistung kann die Ziehgeschwindigkeit abrupt geändert werden. Zusätzlich ermöglicht das Einstellen der Ziehgeschwindigkeit eine leichte Einstellung des Kegelwinkels θ. Aufgrund dieser Tatsachen ist ein Einstellen des Kegelwinkels θ anhand der Ziehgeschwindigkeit ganz besonders bevorzugt. Es ist auch wirksam, den Kegelwinkel θ nur in einem gegebenen Abschnitt während der Kegelausbildung durch abruptes Verändern der Ziehgeschwindigkeit einzustellen. Aufgrund der Änderung der Konvektion der Schmelze 6 kann die gleiche Wirkung durch das Einstellen der Drehzahl der Tiegel erwartet werden, dem die Änderung der Schmelzetemperatur folgt. Diese Änderung der Konvektion verändert die Temperatur in der Nähe einer Grenzfläche fest/flüssig mit einer viel höheren Ansprechempfindlichkeit als die des Veränderns der Heizvorrichtungsleistung. Diese Temperatur in der Nähe der Grenzfläche fest/flüssig kann herabgesetzt werden, indem die Drehzahl der Tiegel für das CZ-Verfahren erhöht wird, oder indem die Drehzahl der Tiegel für das MCZ-Verfahren herabgesetzt wird.
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Das Vergrößern des Kegelwinkels θ, insbesondere auf mehr als 45 auf diese Weise eliminiert die (111)-Fläche und ermöglicht dem Kristall ein Wachstum, bei dem dieser Kegelwinkel θ stabil beibehalten wird. Wird die Ziehgeschwindigkeit wie oben erwähnt herabgesetzt, kann die Ziehgeschwindigkeit zu diesem Zeitpunkt auf den Wert von vor dem Herabsetzen zurückgesetzt werden. Selbst, wenn die Ziehgeschwindigkeit auf diese Weise zurückgesetzt wird, kann der Kegelwinkel θ stabil beibehalten werden. Dementsprechend wird die Produktivitätsabnahme vorzugsweise auf diese Weise verhindert.
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Im herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines stark dotierten Silicium-Einkristall des N-Typs mit einer Kristallorientierung von <100>, wird kurz nachdem der Kristalldurchmesser nahe an einem gewünschten Durchmesser liegt, in der zweiten Hälfte der Kegelausbildung ein abnehmender Gradient der Schmelzetemperatur vorgenommen, so dass der gerade Körper zu Beginn seines Ausbildens stabil mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet wird. Dieser Vorgang bewirkt, dass der Kegelwinkel θ abnimmt und sich dadurch wieder 35,2 annähert, wodurch die (111)-Fläche, wie oben beschrieben, auch in diesem Bereich ausgebildet wird. Beim herkömmlichen Herstellungsverfahren für Silicium-Einkristalle entstehen leicht Versetzungen, auch an einer Position kurz vor Beginn des Ausbildens des geraden Körpers.
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Dagegen setzt die Erfindung zu diesem Zeitpunkt vorzugsweise die Ziehgeschwindigkeit herab, um entsprechend einen Kegelwinkel θ von über 45 beizubehalten, ohne die Temperatur der Schmelze zu senken. Anstatt die Ziehgeschwindigkeit herabzusetzen kann der Kegelwinkel θ auch auf mehr als 45 eingestellt werden, indem die Drehzahl der Tiegel geändert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann so einen Kegel mit weniger (111)-Flächen erzielen, was bedeutet, dass das Entstehen von Versetzungen während des Ausbildens des Kegels verhindert werden kann. Anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auch verhindert werden, dass die Höhe des Kegels zu groß wird, und somit eine Abnahme von Ausbeute und Produktivität vermieden werden.
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Nach dem Ausbilden des Kegels wird der gerade Körper des Einkristalls 8 auf herkömmliche Weise ausgebildet, während die Ziehgeschwindigkeit des Einkristalls 8 oder die Leistung der Heizvorrichtung 7 so eingestellt wird, dass ein gewünschter Durchmesser und eine gewünschte Kristallqualität erreicht werden. Dann wird ein Schwanz ausgebildet, um die Herstellung des Silicium-Einkristalls 8 abzuschließen.
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Während des Züchtens des Silicium-Einkristalls kann ein Magnetfeld auf die Schmelze 6 angewendet werden. Wie in 1 gezeigt, kann dann ein horizontales Magnetfeld mit einer zentralen Magnetfeldstärke von 0,15 T oder darüber mithilfe einer Vorrichtung zum Anwenden magnetischer Felder 18 angewendet werden, die beispielsweise einen permanenten Magnet oder Elektromagnet beinhaltet.
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Auf diese Weise kann die Konvektion der Schmelze im Tiegel verhindert werden, und somit werden Temperaturschwankungen in der Nähe der Kristallzüchtungsgrenzfläche reduziert. Die Verteilung der im Kristall aufgenommenen Dotierstoff-Konzentration kann folglich einheitlich gemacht werden, und das Einführen von Punktdefekten in den Kristall kann ebenfalls verhindert werden.
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BEISPIEL
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Die vorliegende Erfindung wird unten eingehender unter Bezugnahme auf die Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
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(Beispiel 1)
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Ein Sb-dotierter Silicium-Einkristall mit einer Kristallorientierung von <100> und einem Durchmesser vom 200 mm wurde mithilfe einer in 1 gezeigten Vorrichtung zum Herstellen von Einkristallen hergestellt.
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Zuerst wurden 180 kg eines polykristallinen Silicium-Rohmaterials in einen Tiegel mit einem Durchmesser von 660 mm (26 Zoll) chargiert und zu einer Schmelze geschmolzen. Ein Dotierstoff Sb wurde hinzugefügt, so dass der spezifische Widerstand des herzustellenden Silicium-Einkristalls an seiner Oberseite 0,02 Ωcm war.
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Nach dem Ausbilden des Halses wurde die Schmelzetemperatur einmal stark herabgesetzt und dann allmählich mit einem im Wesentlichen konstanten Anteil herabgesetzt, um das Ausbilden eines Kegels zu beginnen. Während dieses Ablaufs war die Ziehgeschwindigkeit konstant.
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Nachdem der Kegelwinkel auf 25 angenähert worden war, wurde die Ziehgeschwindigkeit abrupt um 40% herabgesetzt. Die Ziehgeschwindigkeit wurde danach über einen vorgegebenen Zeitraum konstant gehalten und auf den vorherigen Wert zurückgesetzt, nachdem der Kegelwinkel 45 überschritten hatte.
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Das Züchten des Einkristalls wurde fortgesetzt, während der Kegelwinkel bei über 45 gehalten wurde. Nachdem der Durchmesser an einen Zielwert angenähert worden war, wurde die Ziehgeschwindigkeit allmählich herabgesetzt, so dass der Kegelwinkel am Abnehmen gehindert wurde. Die Ziehgeschwindigkeit wurde schließlich auf 40% herabgesetzt. Auf diese Weise wurde verhindert, dass sich der Kegelwinkel im Bereich von 25 bis 45° befand und dass der Durchmesser des geraden Körpers zu Beginn seines Ausbildens zu groß war.
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Die Form und der Kegelwinkel θ des so ausgebildeten Kegels wurden untersucht. 4 zeigt das Messergebnis der Kegelform. 5 zeigt das Messergebnis des Kegelwinkels θ bezüglich des Radius der Unterseite des Kegels während der Kegelausbildung. Wie in 4 und 5 gezeigt, ergab Beispiel 1 ein kleineres Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen des Kegels, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu der Länge L der Seitenfläche des Kegels, im Vergleich mit den unten beschriebenen Vergleichsbeispielen 1 und 2. Das Verhältnis in Beispiel 1 war 20%.
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Tabelle 1 zeigt das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen während der Kegelausbildung. Dieses Vorkommen wird durch einen Index dargestellt, wenn das Ergebnis im Vergleichsbeispiel 1 in 1 umgewandelt wurde. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen ein Drittel oder weniger als das in Vergleichsbeispiel 1.
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(Beispiel 2)
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Ein Silicium-Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, um die gleichen Auswertungen wie in Beispiel 1 vorzunehmen, der abnehmende Gradient der Schmelzetemperatur war jedoch größer als der in Beispiel 1.
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4 zeigt das Messergebnis der Kegelform. 5 zeigt das Messergebnis des Kegelwinkels θ bezüglich des Radius der Unterseite des Kegels während der Kegelausbildung.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, war der Kegelwinkel größer als der in Beispiel 1 insgesamt. Darüber hinaus ergab Beispiel 2 ein kleineres Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen des Kegels, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu der Länge L der Seitenfläche des Kegels, im Vergleich mit den unten beschriebenen Vergleichsbeispielen 1 und 2. Das Verhältnis in Beispiel 2 war 8%.
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Tabelle 1 zeigt das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen während der Kegelausbildung. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen kleiner als das in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 und ungefähr ein Drittel von dem in Vergleichsbeispiel 2.
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Alle im Kegel in Beispiel 1 und 2 entstandenen Versetzungen befanden sich in Bereichen mit einem Kegelwinkel θ von weniger als 20 oder mehr als 45, was bedeutet, dass diese Versetzungen aus Gründen außer der Kegelform entstanden.
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Die Beispiele oben zeigten, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Silicium-Einkristallen das Entstehen von Versetzungen zuverlässig verhindern kann, indem der Kegelwinkel θ so eingestellt wird, dass das Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen des Kegels, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zur Länge L der Seitenfläche des Kegels 20% oder weniger ist.
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(Vergleichsbeispiel 1)
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Ein Silicium-Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, um die gleichen Auswertungen wie in Beispiel 1 vorzunehmen, die Ziehgeschwindigkeit war jedoch konstant, d. h., dass der Kegelwinkel θ nicht eingestellt wurde.
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4 zeigt das Messergebnis der Kegelform. 5 zeigt das Messergebnis des Kegelwinkels θ bezüglich des Radius der Unterseite des Kegels während der Kegelausbildung.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, ergab Vergleichsbeispiel 1 ein größeres Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen des Kegels, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu der Länge L der Seitenfläche des Kegels, im Vergleich mit den Beispielen 1 und 2. In Vergleichsbeispiel 1 war dieses Verhältnis 35%, was 20% überschreitet.
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Tabelle 1 zeigt das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen während der Kegelausbildung. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen mehr als drei Mal größer als das in den Beispielen 1 und 2.
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(Vergleichsbeispiel 2)
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Ein Silicium-Einkristall wurde unter den gleichen Bedingungen hergestellt, um die gleichen Auswertungen wie in Vergleichsbeispiel 1 vorzunehmen, der abnehmende Gradient der Schmelzetemperatur war jedoch größer als der in Beispiel 1.
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4 zeigt das Messergebnis der Kegelform. 5 zeigt das Messergebnis des Kegelwinkels θ bezüglich des Radius der Unterseite des Kegels während der Kegelausbildung.
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Wie in 4 und 5 gezeigt, war der Kegelwinkel größer als der in Vergleichsbeispiel 1 insgesamt. Zusätzlich ergab Vergleichsbeispiel 2 ein größeres Verhältnis der Summe der einzelnen Längen von Bereichen des Kegels, die einen Kegelwinkel θ von 25 bis 45 aufweisen, zu der Länge L der Seitenfläche des Kegels, im Vergleich mit den Beispielen 1 und 2. In Vergleichsbeispiel 2 war dieses Verhältnis 24%, was 20% überschreitet. Außerdem wurde der Durchmesser des geraden Körpers zu Beginn des Ausbildens zu groß und war nicht stabil.
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Tabelle 1 zeigt das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen während der Kegelausbildung. Wie in Tabelle 1 gezeigt, war das Vorkommen des Entstehens von Versetzungen mehr als 2,5 Mal größer als das in den Beispielen 1 und 2. [Tabelle 1]
| | VERGLEICHSBEISPIEL 1 | VERGLEICHSBEISPIEL 2 | BEISPIEL 1 | BEISPIEL 2 |
| INDEX DES ENTSTEHENS VON VERSETZUNGEN | 1.00 | 0.83 | 0.33 | 0.28 |
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Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Ausführungsform ist lediglich eine Veranschaulichung, und alle Beispiele, die im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften haben und die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebenen technischen Konzepte zeigen, sind in den technischen Umfang der vorliegenden Erfindung einbezogen.
