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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls.
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STAND DER TECHNIK
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Tragbare elektronische Geräte, wie Mobiltelefone, werden in letzter Zeit verbreitet verwendet. Von solchen tragbaren elektronischen Geräten wird gefordert, dass sie verwendbar sind, wenn sie für eine lange Zeit herumgetragen werden, so dass Studien zu einer Vergrößerung des Leistungsvermögens einer eingebauten Batterie für tragbare elektronische Geräte und zu einer Verringerung des Stromverbrauchs der elektronischen Geräte selbst durchgeführt wurden.
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Eine Verringerung des Stromverbrauchs tragbarer elektronischer Geräte selbst erfordert eine Verringerung des Stromverbrauchs von in die tragbaren elektronischen Geräte eingebauten Halbleiterbauelementen.
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Beispielsweise wird ein Low-Voltage-Power-MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) als eine Leistungsvorrichtung für tragbare elektronische Geräte verwendet, die so konfiguriert ist, dass sie als Antwort auf darauf einwirkenden Strom einen vorgegebenen Widerstand darin zeigt, und Verbrauch abhängig von dem Strom, der durch den Low-Voltage-Power-MOSFET fließt, selbst eine elektrische Leistung verbraucht.
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Somit führt eine Verringerung des Innenwiderstandes, der sich zeigt, wenn Strom auf den Low-Voltage-Power-MOSFET einwirkt, zu einer Verringerung des Stromverbrauchs der tragbaren elektronischen Geräte. Entsprechend bestand, um den Widerstand zu verringern, der sich zeigt, wenn Strom auf den Low-Voltage-Power-MOSFET einwirkt, ein starker Wunsch nach einem Silicium-Einkristall vom N-Typ mit niedrigem spezifischem Widerstand.
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Beim Hochziehen eines solchen Silicium-Einkristalls vom N-Typ mit niedrigem spezifischem Widerstand treten jedoch manchmal Dislokationen (Versetzungen) während des Prozesses des Wachsens einer Krone (Schulter) aus einem Hals des Silicium-Einkristalls und anschließend dem Wachsen eines geraden Körpers auf.
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In diesem Zusammenhang offenbart Patentliteratur 1 eine Technik, um das Auftreten von Dislokation zu verhindern, bei der eine Kristallrotationsgeschwindigkeit und eine Tiegelrotationsgeschwindigkeit zur Ausbildung der Krone reguliert werden, um eine Gleichmäßigkeit einer Dotierungsmittelkonzentration innerhalb der Ebene in der Krone zu verbessern.
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Patentliteratur 2 beschreibt ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, bei dem ein Impfkristall mit einer Schmelze in einem Tiegel in Kontakt gebracht wird und dann ein Hals und ein Hauptkörper gebildet werden, wobei eine niedrigere Rotationsgeschwindigkeit des Impfkristalls bei der Halsbildung als bei der Hauptkörperbildung eingestellt wird.
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LITERATURLISTE
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PATENTLITERATUR
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE(N)
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Die in Patentliteratur 1 offenbarte Technik reicht jedoch nicht aus, um das Auftreten von Dislokation zu verhindern, weil das Auftreten von Dislokationen in dem Teil des Silicium-Einkristalls, in dem der gerade Körper beginnt, nicht nur der Ungleichmäßigkeit der Dotierungsmittelkonzentration zugeschrieben wird, sondern auch manchmal dem Eintritt von Fremdsubstanzen, die auf einer Siliciumschmelze schwimmen, in den Bereich des Silicium-Einkristalls, in dem der gerade Körper beginnt, sowie in dessen Nähe.
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Es ist ein erfindungsgemäßes Ziel, ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls zur Verfügung zu stellen, das das Auftreten von Dislokationen in einem Silicium-Einkristall durch einen Bereich hindurch von einem Teil, in dem die Schulter beginnt, bis zu einem Teil, in dem der gerade Körper beginnt, zu verhindern.
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MITTEL ZUR LÖSUNG DER AUFGABE(N)
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Die Erfindung beruht auf dem Befund, dass der Abstand zwischen einer Wärmeschildplatte und einer äußeren Umfangsfläche eines Silicium-Einkristalls während der Ausbildung eines vorgegebenen Abschnitts, beginnend mit einem Teil des Silicium-Einkristalls, in dem die Schulter beginnt, so groß wird, dass eine Spülleistung mit Gas (z.B. Ar-Gas) zu gering wird, um Fremdsubstanzen an einer Oberfläche der Siliciumschmelze wegzublasen, wodurch Dislokation hervorgerufen wird. Merkmale der Erfindung sind im Einzelnen wie folgt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung schließt das Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls das Hochziehen und Wachsenlassen eines Silicium-Einkristalls aus einer Siliciumschmelze, die roten Phosphor als ein Dotierungsmittel enthält, mit dem Czochralski-Prozess ein, wobei Gas zwischen dem Silicium-Einkristall und einer Wärmeschildplatte nach unten strömt, und der Silicium-Einkristall mit einer Hochzieheinrichtung hochgezogen wird, die einen Draht umfasst. Der Silicium-Einkristall ist für einen 200 mm-Durchmesser-Wafer vorgesehen, der Silicium-Einkristall schließt einen geraden Körper mit einem Durchmesser in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm ein, der gerade Körper schließt einen Teil, in dem der gerade Körper beginnt, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,2 mΩcm ein, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls wird so reguliert, dass sie in einen Bereich von 17 U/min bis 40 U/min für mindestens einen Teil eines Schritts zur Ausbildung der Schulter fällt, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls auf weniger als 14 U/min für einen Schritt zur Ausbildung des Halses eingestellt wird , die Kristallrotationsgeschwindigkeit so reguliert wird, dass sie 3 U/min oder mehr und weniger als 14 U/min an einer Position ist, die mehr als 80 mm von dem Teil des Silicium-Einkristalls entfernt ist, an dem der gerade Körper beginnt, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass sie nicht in einen Bereich einer Resonanzrotationsgeschwindigkeit für den Draht der Hochzieheinrichtung fällt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung schließt das Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls das Hochziehen und Wachsenlassen eines Silicium-Einkristalls aus einer Siliciumschmelze, die Arsen als ein Dotierungsmittel enthält, mit dem Czochralski-Prozess ein, wobei Gas zwischen dem Silicium-Einkristall und einer Wärmeschildplatte nach unten strömt, und der Silicium-Einkristall mit einer Hochzieheinrichtung hochgezogen wird, die einen Draht umfasst. Der Silicium-Einkristall ist für einen 200 mm-Durchmesser-Wafer vorgesehen, der Silicium-Einkristall schließt einen geraden Körper mit einem Durchmesser in einem Bereich von 201 mm bis 230 mm ein, der gerade Körper schließt einen Teil, in dem der gerade Körper beginnt, mit einem spezifischen elektrischen Widerstand in einem Bereich von 1,8 mΩcm bis 3,0 mΩcm ein, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls wird so reguliert, dass sie in einen Bereich von 17 U/min bis 40 U/min für mindestens einen Teil eines Schritts zur Ausbildung der Schulter fällt, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls auf weniger als 14 U/min für einen Schritt zur Ausbildung des Halses eingestellt wird, die Kristallrotationsgeschwindigkeit so reguliert wird, dass sie 3 U/min oder mehr und weniger als 14 U/min an einer Position ist, die mehr als 80 mm von dem Teil des Silicium-Einkristalls entfernt ist, an dem der gerade Körper beginnt, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass sie nicht in einen Bereich einer Resonanzrotationsgeschwindigkeit für den Draht der Hochzieheinrichtung fällt.
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Die obigen Ausgestaltungen, in denen die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls so reguliert wird, dass sie in einen Bereich von 17 U/min bis 40 U/min für mindestens einen Teil des Schritts zur Ausbildung der Schulter des Silicium-Einkristalls fällt, erlaubt es, durch die Rotation des Silicium-Einkristalls einen Wirbel (erzwungene Konvektion) in einer Richtung weg von dem Silicium-Einkristall an der Oberfläche der Siliciumschmelze hervorzurufen. Die auf der Oberfläche der Siliciumschmelze schwimmenden Substanzen werden so durch den Wirbel nach außen gezwungen, was verhindert, dass der Silicium-Einkristall durch die Fremdsubstanzen verunreinigt wird, und folglich das Auftreten von Dislokation verhindert.
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In den obigen Aspekten ist es bevorzugt, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls reguliert wird, um in den Bereich von 17 U/min bis 40 U/min zu fallen, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls während des Schritts zur Ausbildung der Schulter in einem Bereich von 20 mm bis 190 mm liegt.
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Da eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass Dislokationen während des Schritts zur Ausbildung der Schulter auftreten, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 20 mm bis 190 mm liegt, wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls für diesen Bereich so reguliert, dass sie in einen Bereich von 17 U/min bis 40 U/min fällt. Diese Ausgestaltung verhindert somit in wünschenswerter Weise das Auftreten von Dislokation.
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In den obigen Aspekten ist es bevorzugt, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls reguliert wird, um in den Bereich von 17 U/min bis 40 U/min zu fallen, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls während des Schritts zur Ausbildung der Schulter in einem Bereich von 100 mm bis 190 mm liegt.
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In dem Schritt zur Ausbildung der Schulter kann der Silicium-Einkristall ohne Auftreten von Dislokationen sogar mit einer Kristallrotationsgeschwindigkeit von weniger als 17 U/min gezogen werden, solange der Kristalldurchmesser in einem Bereich von weniger als 100 mm liegt. Wenn der Kristalldurchmesser jedoch einen Bereich von 100 mm oder mehr erreicht, treten Dislokationen bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit von weniger als 17 U/min auf. Entsprechend werden Dislokationen wirksam reduziert, indem die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min oder mehr eingestellt wird, insbesondere wenn der Kristalldurchmesser des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 100 mm bis 190 mm liegt.
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In den obigen Aspekten liegt die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls in einem Bereich von 3 U/min oder mehr und weniger als 14 U/min an einer Position , die mehr als 80 mm von dem Teil des Silicium-Einkristalls, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist.
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Wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit für den obigen Bereich unter 3 U/min fällt, verschlechtert sich die Sauerstoffverteilung in einer Kristallebene, was möglicherweise die Qualität beeinträchtigt. Wenn indessen die Kristallrotationsgeschwindigkeit 20 U/min übersteigt, würde Kristalldeformation auftreten.
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Ein Temperaturgradient um die Siliciumschmelze herum an einer Position, die mehr als 80 mm von dem Teil, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist, ist niedriger als ein Temperaturgradient um die Siliciumschmelze herum zu dem Zeitpunkt, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls während des Schritts zur Ausbildung der Schulter des Silicium-Einkristalls in den Bereich von 20 mm bis 190 mm fällt, und wird somit wahrscheinlich durch die Kristallrotationsgeschwindigkeit beeinflusst (d.h. Kristalldeformation tritt wahrscheinlich auf).
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Es ist zu beachten, dass Kristalldeformation eine Abweichung der Form meint, mit einer verringerten Rundheit des Kristalls in einem horizontalen Querschnitt. Das Auftreten von Kristalldeformation führt möglicherweise zur Beeinträchtigung der Qualität eines äußeren Umfangs eines Produkts in Form eines Siliciumwafers oder bei der Herstellung eines Wafers, dem es teilweise an einem gewünschten Durchmesser fehlt.
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Weil ferner die Kristalldeformation durch die Kristallrotationsgeschwindigkeit beeinflusst wird, wie oben beschrieben, ruft eine übermäßige Steigerung der Kristallrotationsgeschwindigkeit Kristalldeformation hervor. Eine solche Kristalldeformation kann jedoch verhindert werden, indem die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf eine vorgegebene Rotationsgeschwindigkeit oder darunter verringert wird.
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Die obige Ausgestaltung, in der die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls weniger als 14 U/min ist an einer Position, die mehr als 80 mm von dem Teil des Silicium-Einkristalls, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist, verhindert somit das Auftreten von Kristalldeformation.
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In den obigen Aspekten wird der Silicium-Einkristall mit einer Hochzieheinrichtung mit einem Draht hochgezogen, und die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls so eingestellt, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit nicht in einen Bereich einer Resonanzrotationsgeschwindigkeit für den Draht der Hochzieheinrichtung fällt. Die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls im Schritt zur Ausbildung des Halses wird auf weniger als 14 U/min eingestellt.
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Beim Hochziehen des Silicium-Einkristalls mit der Hochzieheinrichtung mit einem Draht ist es wahrscheinlich, dass der Draht infolge des Resonanzphänomens bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit in einem Bereich von 14 U/min bis 16 U/min während des Schritts der Ausbildung des Halses schwingt. Entsprechend wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit so festgelegt, dass sie nicht die Resonanzrotationsgeschwindigkeit ist.
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Es ist anzumerken, dass eine höhere Rotationsgeschwindigkeit tendenziell ein starkes Schwingen des Drahts hervorruft, selbst wenn die Rotationsgeschwindigkeit auf 16 U/min eingestellt wird, um das Auftreten des Resonanzphänomens zu verhindern. Entsprechend wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls für den Schritt zur Ausbildung des Halses auf weniger als 14 U/min eingestellt, um zu verhindern, dass der Draht schwingt, und um so den Hals stabil auszubilden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen Aufbau einer Hochzieheinrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
- 2 zeigt schematisch eine Operation gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch die Operation gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch die Operation gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
- 5 zeigt schematisch Kristallrotationsgeschwindigkeiten für Positionen in dem Silicium-Einkristall gemäß der beispielhaften Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORM
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[1] Aufbau der Silicium-Einkristall-Hochzieheinrichtung 1
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1 zeigt schematisch einen Aufbau einer Silicium-Einkristall-Hochzieheinrichtung 1, mit der ein Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden kann. Die Hochzieheinrichtung 1, die so ausgestaltet ist, dass sie einen Silicium-Einkristall 10 mit dem Czochralski-Prozess hochzieht, schließt eine Kammer 2 ein, die eine äußere Hülle der Einrichtung definiert, sowie einen Tiegel 3, der sich im Zentrum der Kammer 2 befindet.
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Der Tiegel 3, der eine Zweischichtstruktur aus einem inneren Quarztiegel 3A und einem äußeren Graphittiegel 3B hat, ist an einem oberen Ende eines rotierbaren und senkrecht beweglichen Trageschafts 4 befestigt.
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Eine Widerstandsheizung 5 befindet sich an der Außenseite des Tiegels 3 und umgibt den Tiegel 3, und ein Wärmeisolierungsmaterial 6 befindet sich an der Außenseite der Heizung 5 entlang einer inneren Oberfläche der Kammer 2.
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Ein Draht 7 befindet sich oberhalb des Tiegels 3. Der Draht 7 ist so ausgestaltet, dass er mit vorgegebener Geschwindigkeit koaxial mit dem Trageschaft 4 in entgegengesetzte oder dieselbe Richtung rotiert. Ein Keimkristall 8 ist an das untere Ende des Drahts 7 befestigt.
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Ein Kühler 11 befindet sich in der Kammer 2. Der Kühler 11 ist eine zylindrische Kühlvorrichtung, die einen Silicium-Einkristall 10 umgibt, der gerade oberhalb einer Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3 gezogen wird.
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Der Kühler 11 ist beispielsweise aus einem Metall mit ausgezeichneter thermischer Leitfähigkeit (z.B. Kupfer) hergestellt und so ausgestaltet, dass er erzwungen durch ein Kühlmittel, das durch den Kühler 11 fließt, gekühlt wird. Der Kühler 11 dient dazu, das Abkühlen des gerade gezogenen Silicium-Einkristalls 10 zu fördern, um einen Temperaturgradienten in einer Richtung entlang des Drahts 7 in einem Zentrum des Silicium-Einkristalls und einem Umfang des Einkristalls zu regulieren.
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Darüber hinaus ist eine zylinderförmige Wärmeschildplatte 12 vorgesehen, die die äußere Umfangsoberfläche und die Oberfläche am unteren Ende des Kühlers 11 abdeckt.
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Die Wärmeschildplatte 12 dient zu folgendem: Isolieren des gerade gezogenen Silicium-Einkristalls 10 von der Hochtemperatur-Strahlungswärme von der Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3, der Heizung 5 und einer Seitenwand des Tiegels 3; und Verringerung der Diffusion von Wärme zu dem Kühler 11 mit einer niedrigen Temperatur in der Nähe einer Fest-Flüssig-Grenzfläche oder einer Kristall-WachstumsGrenzfläche, zur Regulierung des Temperaturgradienten in Richtung entlang des Ziehschafts im Zentrum des Einkristalls und dem Umfang des Einkristalls in Verbindung mit dem Kühler 11.
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Ein oberer Teil der Kammer 2 ist mit einem Gaseinlass 13 zum Zuführen von Inertgas, wie Ar-Gas, in die Kammer 2 versehen. Ein unterer Teil der Kammer 2 ist mit einem Abgasauslass 14 zum Ablassen von Gas aus der Kammer 2, der mit einer Vakuumpumpe (nicht gezeigt) angetrieben wird, versehen.
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Das über den Gaseinlass 13 in die Kammer 2 eingelassene Inertgas fließt nach unten zwischen dem Silicium-Einkristall 10, der gerade gezogen wird, und dem Kühler 11 und tritt durch einen Raum (Spalt der Flüssigkeitsoberfläche) zwischen dem unteren Ende der Wärmeschildplatte 12 und einer Flüssigkeitsoberfläche der Siliciumschmelze 9 hindurch. Das Inertgas fließt dann in Richtung der Außenseite der Wärmeschildplatte 12 und der Außenseite des Tiegels 3 und fließt an der Außenseite des Tiegels 3 nach unten, um durch den Abgasauslass 14 abgelassen zu werden.
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Beim Ziehen des Silicium-Einkristalls 10 unter Verwendung der oben beschriebenen Hochzieheinrichtung wird die Siliciumschmelze 9 gebildet, indem ein in den Tiegel 3 gefülltes festes Material (z.B. polykristallines Silicium), mit der Heizung 5 erhitzt wird, während eine Inertgasatmosphäre mit verringertem Druck in der Kammer 2 aufrechterhalten wird. Wenn die Siliciumschmelze 9 in dem Tiegel 3 gebildet ist, wird der Draht 7 nach unten bewegt, so dass der Keimkristall 8 in die Siliciumschmelze 9 eintaucht. Der Draht 7 wird dann allmählich nach oben gezogen, während der Tiegel 3 und der Draht 7 in eine vorgegebene Richtung rotieren, und hierdurch wächst der Silicium-Einkristall 10 kontinuierlich aus dem Keimkristall 8.
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[2] Mechanismus des Auftretens von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall 10 und Verfahren zum Vermeiden des Auftretens von Dislokationen
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In einem anfänglichen Stadium des Hochziehens des Silicium-Einkristalls 10, dessen Durchmesser des geraden Körpers von 201 mm mit 230 mm reicht, ist ein Raum zwischen der Wärmeschildplatte 12 und einer Schulter des Silicium-Einkristalls 10 relativ groß, wie in 2 gezeigt ist. In diesem Zustand wird unvermeidlich, selbst wenn Gas (z.B. Ar-Gas) von oben als Spülgas zuströmt, die Flussrate des Gases, das zwischen der Wärmeschildplatte 12 und dem Silicium-Einkristall 10 fließt, niedrig. So besteht die Wahrscheinlichkeit, dass Fremdsubstanzen oder dergleichen, die auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 schwimmen, in die Nähe des Silicium-Einkristalls 10 gelangen und die Anhaftung der Fremdsubstanzen an den Silicium-Einkristall 10 Dislokationen in dem angehafteten Teil und folglich in dessen Nähe hervorrufen.
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Indessen wird, wenn der Silicium-Einkristall 10 weiter hochgezogen wird, um einen geraden Körper zu bilden, der Raum zwischen der Wärmeschildplatte 12 und dem Silicium-Einkristall 10 relativ klein, wie in 3 gezeigt ist. So können die Fremdsubstanzen, die auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 schwimmen, von dem Silicium-Einkristall 10 in Richtung einer inneren Umfangsoberfläche des Quarztiegels 3A mit der Flussrate des Spülgases weggeblasen werden, und hierdurch die Möglichkeit des Auftretens von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall 10 verringert werden.
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In diesem Zusammenhang wird angenommen, dass die Fremdsubstanzen an der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 roten Phosphor oder Arsen einschließen, weil roter Phosphor oder Arsen, die als ein Dotierungsmittel für die Hochziehoperation des Silicium-Einkristalls 10 mit einem niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand (nachstehend als spezifischer Widerstand bezeichnet) hinzugefügt werden, während der Hochziehoperation verdampfen würden und beispielsweise an einer Ofenwand kristallisieren und von ihr herunterfallen und auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 schwimmen. Die Verdampfungsrate von rotem Phosphor oder Arsen (Dotierungsmittel) korreliert positiv mit der Konzentration des Dotierungsmittels in der Siliciumschmelze 9. Insbesondere nimmt die Verdampfungsrate mit einer Zunahme der Konzentration zu.
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Somit ruft, wenn roter Phosphor als ein Dotierungsmittel enthalten ist und ein Teil des Silicium-Einkristalls 10, in dem der gerade Körper beginnt, einen spezifischen Widerstand von 1,2 mΩ·cm oder weniger hat, oder wenn Arsen als ein Dotierungsmittel enthalten ist und der Teil des Silicium-Einkristalls 10, in dem der gerade Körper beginnt, einen spezifischen Widerstand von 3,0 mΩcm oder weniger hat, eine solche beträchtlich hohe Konzentrationen des Dotierungsmittels in der Siliciumschmelze 9 intensive Verdampfung des Dotierungsmittels hervor, wodurch mehr Fremdsubstanzen herunterfallen und auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 schwimmen, verglichen mit einer typischen niedrigen Konzentration. Somit wird das Auftreten von Dislokationen in dem Silicium-Einkristall 10 wahrscheinlicher.
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In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls 10 im anfänglichen Stadium des Hochziehens des Silicium-Einkristalls 10, wie in 2 gezeigt ist, gesteigert, was, wie in 4 gezeigt ist, einen Wirbel von erzwungener Konvektion an der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 hervorruft, so dass die Fremdsubstanzen, die auf der Oberfläche der Siliciumschmelze 9 schwimmen, von dem Silicium-Einkristall 10 weggezwungen werden, und so die Anhaftung der Fremdsubstanzen an die Oberfläche des Silicium-Einkristalls 10 verhindert wird. Im Einzelnen wird, wie in 5 gezeigt ist, die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min eingestellt, wenn während eines Schritts zur Ausbildung der Schulter der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 in einem Bereich von 20 mm bis 190 mm liegt, auf 20 U/min oder weniger an einer Position eingestellt, die mehr als 80 mm von dem Bereich, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist, und so reguliert, dass sie während des Schritts zur Ausbildung des Halses weniger als 14 U/min ist. Es ist anzumerken, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit vorzugsweise auf 17 U/min oder mehr eingestellt wird, insbesondere wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 in einem Bereich von 100 mm bis 190 mm liegt, wie oben beschrieben.
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Wenn wir annehmen, dass die Hochzieheinrichtung 1, die den Draht 7 einschließt, ein Pendel aufweist, dessen Gewicht eine Keimspannvorrichtung an dem Draht 7 und der Silicium-Einkristall 10 ist, wird eine Resonanzrotationsgeschwindigkeit n des Drahts 7 mit der folgenden Gleichung (1) berechnet, in der g (g) das Gesamtgewicht der Keimspannvorrichtung und des Silicium-Einkristalls 10 ist und L (cm) einen Abstand eines Drehpunkts des Pendels zu seinem Schwerpunkt ist.
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Wenn die obige Berechnung auf die Hochzieheinrichtung 1 und den Silicium-Einkristall 10 mit einem typischen Durchmesser des geraden Körpers von 210 mm angewandt wird, lässt sich die Resonanzrotationsgeschwindigkeit auf einen Bereich von 14 U/min bis 16 U/min berechnen. Die Rotation des Silicium-Einkristalls 10 mit einer Kristallrotationsgeschwindigkeit in dem obigen Bereich ruft Resonanz in dem Silicium-Einkristall 10 hervor, so dass die Rotationsgeschwindigkeit durch den Schritt zur Ausbildung des Halses, den Schritt zur Ausbildung der Schulter und den Schritt zur Ausbildung des geraden Körpers hindurch innerhalb eines Bereichs zu liegen hat, der solche Resonanzrotationsgeschwindigkeiten ausschließt, d.h., eine Geschwindigkeit von weniger als 14 U/min oder mehr als 16 U/min. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit somit auf 13 U/min eingestellt, um das Auftreten von Resonanz in dem anfänglichen Stadium der Hochziehoperation zu verhindern.
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Indessen wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit des Silicium-Einkristalls 10 für einen Bereich von mehr als 190 mm des Durchmessers des Silicium-Einkristalls 10 wiederum auf 13 U/min eingestellt. Denn der Temperaturgradient der Siliciumschmelze 9 um den Kristall herum nimmt während des Hochziehens des Silicium-Einkristalls 10 zur Ausbildung des geraden Körpers ab, verglichen mit dem Bereich von 20 mm bis 190 mm des Silicium-Einkristall-Durchmessers für den Schritt zur Ausbildung der Schulter des Silicium-Einkristalls 10, was Kristalldeformation hervorruft, wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit hoch bleibt.
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Entsprechend wird die Kristallrotationsgeschwindigkeit für den Bereich von mehr als 190 mm wiederum auf 13 U/min eingestellt. Es ist anzumerken, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit vorzugsweise innerhalb von 10 Sekunden oder weniger zwischen 13 U/min und 17 U/min geändert wird, um die Zeit zu minimieren, in der der Silicium-Einkristall 10 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 14 U/min bis 16 U/min rotiert wird.
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Beispiele
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Als nächstes werden Beispiele der Erfindung beschrieben. Es ist anzumerken, dass die Erfindung keineswegs auf die nachstehenden Beispiele beschränkt ist.
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[1] Dotierungsmittel: roter Phosphor
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Unter Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel, um einen spezifischen Widerstands des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, auf 0,8 mΩcm einzustellen, wurde der Silicium-Einkristall 10 mit einem Durchmesser von 210 mm für einen 200 mm-Durchmesser-Wafer bei sechs Niveaus der Kristallrotationsgeschwindigkeit hochgezogen. Die Resultate sind in Tabelle 1 unten gezeigt.
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Von den sechs Niveaus der Kristallrotationsgeschwindigkeit war der Silicium-Einkristall 10 bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit von weniger als 17 U/min schwierig ohne das Auftreten von Dislokationen während des Schritts zur Ausbildung der Schulter hochzuziehen. Es wurde gefunden, dass die Kristallrotationsgeschwindigkeit 17 U/min oder mehr sein muss, um die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen während des Schritts zur Ausbildung der Schulter auf 50 % oder mehr zu steigern.
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In dem Schritt zur Ausbildung der Schulter kann der Silicium-Einkristall 10 ohne Auftreten von Dislokationen bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit von weniger als 17 U/min (z.B. 15 U/min) gezogen werden, solange der Kristalldurchmesser in einem Bereich von weniger als 100 mm liegt. Wenn der Kristalldurchmesser jedoch einen Bereich von 100 mm oder mehr erreicht, treten Dislokationen auf. Entsprechend werden Dislokationen effektiv verringert, indem die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min oder mehr eingestellt wird, insbesondere für einen Kristalldurchmesserbereich von 100 mm oder mehr. Tabelle 1
| 8 U/min | 13 U/min | 15 U/min | 17 U/min | 20 U/min | 34 U/min | 40 U/min |
Zahl von Kristallen mit Dislokationen in ihren Schultern | Position der Dislokationen: Durchmesser von 0 mm bis 20 mm | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Position der Dislokationen: Durchmesser von 20 mm bis 50 mm | 6 | 4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Position der Dislokationen: Durchmesser von 50 mm bis 100 mm | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Position der Dislokationen: Durchmesser von 100 mm bis 150 mm | 0 | 1 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Position der Dislokationen: Durchmesser von 150 mm bis 205 mm | 0 | 0 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Zahl von Kristallen mit Deformation in ihren geraden Körpern | Ausbildung des geraden Körpers nicht erreicht | Ausbildung des geraden Körpers nicht erreicht | 0 | 0 | 0 | 3 | 3 |
Zahl von Kristallen weder mit Schulterdislokationen noch mit Deformation des geraden Körpers | 0 | 0 | 1 | 16 | 3 | 0 | 0 |
Gesamtzahl von Versuchen | 6 | 6 | 6 | 16 | 3 | 3 | 3 |
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Die Schulter kann ohne jegliches Problem bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit für die Ausbildung der Schulter von 40 U/min ausgebildet werden. Weil jedoch eine typische Grenze der Spezifikationen der Hochzieheinrichtung 1 bis 40 U/min ist, erfordert eine Änderung der Spezifizierung, um eine stärke Rotation mit einer Geschwindigkeit von mehr als 40 U/min zu ermöglichen, die Verstärkung des Antriebssystems, verbunden mit höheren Kosten für die Anlage. Entsprechend ist die Obergrenze der Kristallrotationsgeschwindigkeit zur Ausbildung der Schulter vorzugsweise 40 U/min.
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Eine Untergrenze der Kristallrotationsgeschwindigkeit zur Ausbildung des geraden Körpers ist 3 U/min und eine Obergrenze ist 20 U/min. Bei einer Geschwindigkeit von weniger als 3 U/min verschlechtert sich die Sauerstoffverteilung in einer Kristallebene. Bei einer Geschwindigkeit, die 20 U/min übersteigt, weist der gerade Körper Kristalldeformation auf.
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Es ist anzumerken, dass, obwohl der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 während des Schritts zur Ausbildung der Schulter gewöhnlich zunimmt, der Prozess zu dem Schritt zur Ausbildung des geraden Körpers verschoben werden soll, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 190 mm oder mehr erreicht.
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Als nächstes wurde der Silicium-Einkristall 10 mit verschiedenen Kristallrotationsgeschwindigkeiten hochgezogen, wobei roter Phosphor als Dotierungsmittel verwendet wurde. Die Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt. Es ist anzumerken, dass die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen einen Prozentsatz der Proben des Silicium-Einkristalls 10 meint, der erfolgreich ohne Auftreten von Dislokationen hochgezogen wurde, in Bezug auf die Gesamtzahl der Proben des Silicium-Einkristalls 10, die hochgezogen wurden. Tabelle 2
| Bsp. 1 | Bsp. 2 | Vgl.-Bsp. 1 | Vgl.-Bsp. 2 | Vgl.-Bsp. 3 | Vgl.-Bsp. 4 |
Durchmesser des geraden Körpers (mm) | 210 | 210 | 210 | 210 | 210 | 210 |
Dotierungsmittel | roter Phosphor | roter Phosphor | roter Phosphor | roter Phosphor | roter Phosphor | roter Phosphor |
Spezifischer Widerstand des Teils, in dem der gerade Körper beginnt (mΩ·cm) | 0,8 | 1,2 | 0,8 | 1,2 | 1,2 | 1,2 |
Vom Beginn des Halses bis zum Schulterdurchmesser von 20 mm (U/min) | 13 | 13 | 13 | 13 | 13 | 17 |
Vom Schulterdurchmesser von 20 mm bis zur Position 80 mm unterhalb des Teils, in dem der gerade Körper beginnt (U/min) | 17 | 17 | 13 | 13 | 22 | - |
Von der Position, die mehr als 80 mm unter dem Teil, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist, bis zum Ende des Schwanzes (U/min) | 13 | 13 | 13 | 13 | 22 | - |
Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen (%) | 50 | 90 | 0 | 60 | 0 | 0 |
Zahl, bei denen die Beseitigung von Dislokationen erfolgreich war | 8 | 18 | 0 | 6 | 0 | 0 |
Gesamtzahl der hochgezogenen Kristalle | 16 | 20 | 5 | 10 | 2 | 2 |
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Durch den Vergleich von Beispiel 1 mit Vergleichsbeispiel 1,in denen bei beiden der Teil des Silicium-Einkristalls 10, in dem der gerade Körper beginnt, einen spezifischen Widerstand von 0,8 mΩcm hatte, wurde gefunden, dass Beispiel 1, in dem die Kristallrotationsgeschwindigkeit für das Wachstum von dem Teil, in dem der gerade Körper beginnt, bis zu einer Position um 80 mm unterhalb des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt, auf 17 U/min eingestellt war, eine beträchtlich erhöhte Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen (d.h., 0 % auf 50 %) hatte, verglichen mit Vergleichsbeispiel 1, in dem eine Kristallrotationsgeschwindigkeit von 13 U/min beibehalten wurde.
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Ebenso wurde durch den Vergleich von Beispiel 2 mit Vergleichsbeispiel 2 gefunden, dass die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen von Beispiel 2 von 60 % auf 90 % verbessert war, was einen Vorteil der Änderung der Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min zeigte.
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Im Gegensatz hierzu wurde, wenn die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 22 U/min eingestellt war, wie in Vergleichsbeispiel 3, die Schulter ohne jegliches Problem ausgebildet, jedoch trat Kristalldeformation nach dem Beginn der Ausbildung des geraden Körpers auf, was Dislokationen an einer Position hervorrief, die um 100 mm unterhalb des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt war.
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In Vergleichsbeispiel 4 wurde die Hochziehoperation für die Ausbildung des Halses bei einer Kristallrotationsgeschwindigkeit von 17 U/min durchgeführt, ohne die Kristallrotationsgeschwindigkeit seit der Ausbildung des Halses zu ändern. Die Stabilisierung des Durchmessers war jedoch in Folge der Schwingung des Drahts 7 schwierig zu erreichen, so dass der Schritt zur Ausbildung des Halses nicht zu dem Schritt zur Ausbildung der Schulter verschoben werden konnte.
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Im Hinblick auf das oben Gesagte, wurde für die Hochziehoperation des 210 mm-Durchmesser-Silicium-Einkristalls 10 unter den Bedingungen, dass der spezifische Widerstand des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, in einem Bereich von 0,8 mΩcm bis 1,2 mΩcm liegt und das Dotierungsmittel roter Phosphor ist, gezeigt, dass die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen verbessert ist, indem die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min oder mehr eingestellt wird, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 während des Schritts zur Ausbildung der Schulter im Bereich von 20 mm bis 190 mm liegt.
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[2] Dotierungsmittel: Arsen
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Ferner wurde unter Verwendung von Arsen als Dotierungsmittel die Hochziehoperation mit verschiedenen Kristallrotationsgeschwindigkeiten durchgeführt, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 während des Schritts zur Ausbildung der Schulter im Bereich von 20 mm bis 190 mm lag, auf dieselbe Weise wie in dem Beispiel der Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel. Die Resultate sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
| Bsp. 3 | Bsp. 4 | Vgl.-Bsp. 5 | Vgl.-Bsp. 6 |
Durchmesser des geraden Körpers (mm) | 210 | 210 | 210 | 210 |
Dotierungsmittel | Arsen | Arsen | Arsen | Arsen |
Spezifischer Widerstand des Teils, in dem der gerade Körper beginnt (mQ·cm) | 1,8 | 3,0 | 1,8 | 3,0 |
Vom Beginn des Halses bis zum Schulterdurchmesser von 20 mm (U/min) | 13 | 13 | 13 | 13 |
Vom Schulterdurchmesser von 20 mm bis zur Position 80 mm unterhalb des Teils, in dem der gerade Körper beginnt (U/min) | 17 | 17 | 13 | 13 |
Von der Position, die mehr als 80 mm unter dem Teil, in dem der gerade Körper beginnt, entfernt ist, bis zum Ende des Schwanzes (U/min) | 13 | 13 | 13 | 13 |
Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen (%) | 60 | 90 | 50 | 70 |
Zahl der Kristalle, bei denen die Beseitigung von Dislokationen erfolgreich war | 6 | 9 | 10 | 14 |
Gesamtzahl der hochgezogenen Kristalle | 10 | 10 | 20 | 20 |
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Wenn das Dotierungsmittel Arsen war, ist die Stabilität des Schritts zur Ausbildung des Halses abhängig von der Schwingung des Drahts 7. Die Art des Dotierungsmittels ist für die Schwingung des Drahts 7 irrelevant.
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Es wird angenommen, dass Dislokationen während des Schritts zur Ausbildung der Schulter durch denselben Mechanismus auftreten, wie er oben beim Beispiel der Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel beschrieben wurde. Wie in Tabelle 3 gezeigt ist, wurde gezeigt, dass die Beseitigungsquote von Dislokationen auf dieselbe Weise gesteigert ist, wie bei dem Beispiel der Verwendung von rotem Phosphor als Dotierungsmittel.
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Die Deformation des geraden Körpers ist für den Temperaturgradienten relevant, nicht für die Art des Dotierungsmittels. Somit sind die Ober- und Untergrenzen der Kristallrotationsgeschwindigkeit für jeden Schritt dieselben wie diejenigen für das Beispiel bei der Verwendung von rotem Phosphor.
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Ähnlich zu dem Beispiel der Verwendung von rotem Phosphor wurde durch den Vergleich von Beispiel 3 mit Vergleichsbeispiel 5, in denen bei beiden der spezifische Widerstand des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, ebenso 1,8 mΩcm war, gefunden, dass die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen von 50 % auf 60 % erhöht war.
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Zusätzlich wurde durch den Vergleich von Beispiel 4 mit Vergleichsbeispiel 6, in denen bei beiden der spezifische Widerstand des Teils, in dem der gerade Körper beginnt, derselbe Wert war (d.h., 3,0 mΩcm), gefunden, dass die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen von 70 % auf 90 % verbessert war.
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Im Hinblick auf das oben Gesagte, wurde gezeigt, dass beim Beispiel der Verwendung von Arsen als Dotierungsmittel die Erfolgsquote bei der Beseitigung von Dislokationen ebenso verbessert war, indem die Kristallrotationsgeschwindigkeit auf 17 U/min oder mehr eingestellt war, wenn der Durchmesser des Silicium-Einkristalls 10 während des Schritts zur Ausbildung der Schulter im Bereich von 20 mm bis 190 mm lag.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hochzieheinrichtung,
- 2
- Kammer,
- 3
- Tiegel,
- 3A
- Quarztiegel,
- 3B
- Graphittiegel,
- 4
- Trageschaft,
- 5
- Heizung,
- 6
- Wärmeisolierungsmaterial,
- 7
- Draht,
- 8
- Keimkristall,
- 9
- Siliciumschmelze,
- 10
- Silicium-Einkristall,
- 11
- Kühler,
- 12
- Wärmeschildplatte,
- 13
- Gaseinlass,
- 14
- Abgasauslass