DE19529481A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von EinkristallenInfo
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Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von Einkristallen aus Halbleitermaterial nach der
Czochralski-Methode. Bei dieser Methode wächst ein
zylindrischer Einkristall auf einem Impfkristall auf,
wobei der Impfkristall zunächst in eine Schmelze getaucht
und anschließend von der Oberfläche der Schmelze weggezogen
wird. Die Schmelze befindet sich in einem Tiegel, der aus
einem Quarzglastiegel und aus einem, üblicherweise aus
Graphit gefertigten, Stütztiegel besteht, in den der
Quarzglastiegel eingelegt ist. Der Tiegel ruht auf einer
drehbaren und axial verschiebbaren Welle und ist seitlich
von Widerstands-Heizelementen umgeben, die ausreichend
Wärmestrahlung erzeugen, um darin festes Halbleitermaterial
zu schmelzen und in geschmolzenem Zustand zu halten. Die
Schmelze enthält neben Halbleitermaterial gegebenenfalls
zugesetzte Dotierstoffe und unvermeidbare Anteile von
Sauerstoff und anderen Verunreinigungen, die aus der
Tiegelwand herausgelöst werden. In der Regel werden der
Tiegel und der wachsende Einkristall gegensinnig gedreht,
weil dadurch der quantitative Einbau von Sauerstoff und die
Verteilung von Sauerstoff und Dotierstoffen in der Schmelze
und im Einkristall zu einem gewissen Grad beeinflußt werden
kann.
Die Schmelze verliert hauptsächlich über ihre freie
Oberfläche, den wachsenden Einkristall, den Boden des
Stütztiegels und die Welle ständig an Wärme. Dieser
Wärmeverlust muß durch eine Erhöhung der Heizleistung der
Widerstands-Heizelemente ausgeglichen werden. Die erhöhte
Wärmezufuhr heizt die Tiegelwand weit über den Schmelzpunkt
des Halbleitermaterials hinaus auf. Dies ist ein Problem mit
nachteiligen Folgen, die sich insbesondere bei der
Herstellung von Einkristallen mit Durchmessern von mehr als
200 mm bemerkbar machen, weil zur Herstellung solcher
Einkristalle wegen entsprechend groß dimensionierter Tiegel
und Schmelzenvolumina hohe Heizleistungen notwendig sind.
Eine Folge ist, daß durch die hohen Temperaturen an der
Tiegelwand verstärkt Sauerstoff und andere Verunreinigungen
aus dem Tiegelmaterial gelöst werden und in die Schmelze
gelangen. Eine andere ungünstige Folge ist, daß sich durch
die Überhitzung des Tiegels auf der Tiegelwand vermehrt
inselartige Cristobalit-Strukturen ausbilden. Von diesen
können sich durch Lochkorrosion Partikel lösen, die mit
einer gewissen Wahrscheinlichkeit über Konvektionsströmungen
bis zur Kristallisationsgrenze gelangen und das
versetzungsfreie Wachstum des Einkristalls beenden können.
Aus diesem Grund ist das bisher erreichbare versetzungsfreie
Längenwachstum von Einkristallen mit großen Durchmessern
recht limitiert und das Verhältnis von Länge zu Durchmesser
bei solchen Einkristallen gering. Eine weitere nachteilige
Folge einer zu hohen Temperatur an der Tiegelwand resultiert
aus der damit verbundenen großen Temperaturdifferenz
zwischen dem Tiegel und der Kristallisationsgrenze. Sie ist
Ursache für das Auftreten von starken unkontrollierten
Stoffströmen in der Schmelze in Folge von thermischer
Konvektion, die zu lokalen Schwankungen der Temperatur und
der Konzentration von Dotierstoff und Verunreinigungen
führen. Natürlich spiegelt sich diese Situation auch im
gewachsenen Einkristall durch eine unerwünschte, lokal
schwankende Verteilung der Dotierstoffe und der
Verunreinigungen, insbesondere des Sauerstoffs, wieder.
Darüber hinaus verstärken die Temperaturschwankungen in der
Schmelze die temperaturbedingten Spannungen, denen der
Einkristall beim Wachsen ausgesetzt ist. Die Gefahr steigt,
daß im Bereich der Kristallisationsgrenze Versetzungen
entstehen, die sich bis zu einer dem Durchmesser des
Einkristalls entsprechenden Länge in den versetzungsfreien
Teil des Einkristalls ausbreiten können. Weil versetzte
Kristallbereiche zur Verwendung als Grundstoff für
elektronische Bauelemente nicht geeignet sind, ist
insbesondere bei großen Einkristallen, bei denen das
Verhältnis von Länge zu Durchmesser aus den genannten
Gründen ohnehin gering ist, mit herben Ausbeuteverlusten zu
rechnen.
Es ist beispielsweise aus der DD-2 70 728 A1 bekannt, daß
statische Magnetfelder, die der Schmelze aufgeprägt werden,
Stoffströme und Temperaturverteilung in der Schmelze
beeinflussen. Ihre Wirkung besteht vor allem in einer
Dämpfung konvektiver Stoffströme. Bei geeigneten Feldstärken
werden lokale Temperaturschwankungen vermindert und der
Dotierstoffeinbau in den Einkristall homogener. Allerdings
sind die zur Erzeugung von Magnetfeldern mit geeigneten
Feldstärken benötigten Magnete konstruktiv aufwendig und ihr
Energiebedarf ist verhältnismäßig hoch. In der oben
genannten Schrift und in der US-5178720 werden daher
Verfahren favorisiert, die mit rotierenden Magnetfeldern
arbeiten. Die Kontrolle des Einbaus von Sauerstoff in den
wachsenden Einkristall geschieht gemäß dem in der US-5178720
offenbarten Verfahren nach einem Ablaufprotokoll, demzufolge
bestimmte Drehgeschwindigkeiten von Einkristall und Tiegel
zu beachten sind und die Intensität einer bestimmten
Komponente des Magnetfelds mit zunehmenden Kristallvolumen
verringert wird.
Trotz einiger Verbesserungen durch den Einsatz statischer
und rotierender Magnetfelder bei der Herstellung von
Einkristallen nach der Czochralski-Methode bleibt die
Situation unbefriedigend. Die bekannten Verfahren bieten
insbesondere noch keine ausreichende Lösung der
geschilderten Probleme, die bei der Herstellung von
Einkristallen mit Durchmessern von mehr als 200 mm zu
bewältigen sind.
Es war daher die Aufgabe der Erfindung, Abhilfe zu schaffen
und ein Verfahren anzugeben, das sich insbesondere zur
Herstellung großer Einkristalle eignet, das eine homogene
Verteilung der Dotierstoffe und der Verunreinigungen im
Einkristall ermöglicht, mit dessen Hilfe die Aufnahme von
Sauerstoff in den Einkristall auch mengenmäßig kontrolliert
werden kann und durch das die Gefahr der Versetzungsbildung
stark eingeschränkt ist.
Gelöst wird Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung
eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach der
Czochralski-Methode durch Wegziehen eines in eine Schmelze
getauchten Impfkristalls von der Oberfläche der Schmelze,
wobei sich die Schmelze bis zu einer bestimmten Höhe in
einem drehbaren Quarzglastiegel befindet und durch
Aufschmelzen von festem Halbleitermaterial und
gegebenenfalls Dotierstoffen erzeugt wird, und die Schmelze
während des Kristallwachstums unter dem Einfluß eines
Magnetfelds steht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das
Magnetfeld durch überlagern eines statischen Magnetfelds und
eines alternierenden Magnetfelds erzeugt wird.
Durch den kombinierten Einsatz eines statischen und eines
alternierenden Magnetfelds wird es möglich, konvektive
Stoffströme und die Temperaturverteilung in der Schmelze an
die Erfordernisse für ein optimales Kristallwachstum
anzupassen. Über das alternierende Magnetfeld läßt sich
induktiv Energie in die Schmelze einkoppeln, ohne daß dabei
die Tiegelwand miterhitzt werden muß. Dabei lassen sich
Stoffströme gezielt erzeugen, die eine homogene Dotierstoff-
und Sauerstoffverteilung in der Schmelze, vor allem im
Bereich der Kristallisationsgrenze begünstigen. Das
alternierende Magnetfeld wird dabei auch als Instrument
verwendet, um die Stoffströme zu kontrollieren, indem
Änderungen der Wachstums-Bedingungen, die sich zwangsläufig
ergeben, durch eine Veränderung des Magnetfelds kompensiert
werden oder veränderte Wachstums-Bedingungen durch eine
Veränderung der Magnetfelds bewußt herbeigeführt werden. Das
überlagerte, statische Magnetfeld ist wiederum notwendig, um
die Stoffströme zu stabilisieren, zu regeln und um lokale
Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeiten zu dämpfen.
Die weitere Beschreibung der Erfindung erfolgt an Hand von
Figuren.
Fig. 1 zeigt die bevorzugten Bedingungen bezüglich der
radialen Temperaturverteilung und der Verteilung konvektiver
Stoffströme in der Schmelze.
In Fig. 2 ist der Aufbau einer Vorrichtung skizziert, die
zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
Um die in Fig. 1 gezeigte, bevorzugte Temperaturverteilung
und das von geschlossenen Kreisläufen gekennzeichnete
Stoffstrom-Profil zu verwirklichen, wird vorgeschlagen, der
schmelze ein alternierendes Magnetfeld und gleichzeitig ein
statisches Magnetfeld aufzuprägen. Besonders bevorzugt ist
es, ein axialsymmetrisches, alternierendes Magnetfeld mit
der relativen Frequenz ε = 2πµoσfR² einzusetzen, das eine
magnetische Induktion mit einer Amplitude von mindestens Ba
= C/R aufweist, wobei ε vorzugsweise im niederfrequenten
Bereich von 5 bis 50 liegen sollte. In den Ausdrücken
bedeuten µo die magnetische Permeabilität im Vakuum (µo =
4π10-7 H/m), σ die elektrische Leitfähigkeit der Schmelze, f
die Wechselstromfrequenz der Stromversorgung für die
Induktionsspule, die das alternierende Magnetfeld erzeugt, R
der Radius des Tiegels und C eine Konstante, deren Wert
1 * 10-3 T * m beträgt. Durch Wechselwirkung mit dem
alternierenden Magnetfeld werden in der Schmelze elektrische
Ströme induziert, die auf azimutalen Bahnen um die Drehachse
des Tiegels zirkulieren. Deren Wechselwirkung mit dem
Magnetfeld ist letztlich für das Auftreten der in Fig. 1
skizzierten, konvektiven Stoffströme Ψ verantwortlich. Über
die relative Frequenz ε wird die Intensität und die Lage
dieser Stoffströme und damit das Ausgasen von
Siliciummonoxid über die freie Oberfläche der Schmelze
beeinflußt und letztlich der Einbau von Sauerstoff in den
Einkristall in weiten Grenzen gesteuert.
Wegen des ohmschen Widerstands, den die Schmelze dem
induzierten elektrischen Strom entgegensetzt, wird die
Schmelze vor allem im Bereich zwischen dem Einkristall und
der Tiegelwand zusätzlich erhitzt. Die Folge davon ist eine
radiale Temperaturverteilung T(R) mit einem Maximum in
diesem Bereich. Die in der Fig. 1 am Beispiel einer
Silicium-Schmelze dargestellte, bevorzugte
Temperaturverteilung unterscheidet sich wesentlich von der
bisher bei der Czochralski-Methode üblichen
Temperaturverteilung mit dem Temperaturmaximum an der
Tiegelwand. Gemäß Fig. 1 liegt die Temperatur an der
Tiegelwand und im Bereich der Kristallisationsgrenze nur
geringfügig über dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials.
Die Temperatur an der Tiegelwand beeinflußt den Eintrag von
Sauerstoff in die Schmelze. Es ist daher im Einzelfall zu
entscheiden, welche Temperatur eingestellt wird. Bewährt
haben sich Temperaturen, die bis 25°C, bevorzugt bis 5°C
über dem Schmelzpunkt Tm des Halbleitermaterials liegen. Das
Temperaturmaximum im Bereich zwischen dem Einkristall und
der Tiegelwand liegt vorzugsweise 15 bis 35°C über dem
Schmelzpunkt des Halbleitermaterials. Der Abstand des
Temperaturmaximums zur Tiegelwand beträgt bevorzugt 50 bis
75% des Abstands zwischen Tiegelwand und Oberfläche des
Einkristalls. Um die angestrebte Temperatur an der
Tiegelwand einzustellen, wird die Heizleistung der den
Tiegel umgebenden Widerstandsheizung vor Beginn des
Wachstums des Einkristalls nötigenfalls gedrosselt. Durch
die relativ niedrige Temperatur an der Tiegelwand ist die
Rate, mit der Sauerstoff und andere Verunreinigungen aus dem
Tiegelmaterial herausgelöst werden, erheblich reduziert.
Ebenso verringert sich die Kontamination der Schmelze durch
Partikel, weil auch die Bildung und Ablösung von
Cristobalit-Inseln an der Tiegelwand bei niedrigeren
Temperaturen zurückgeht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Heizleistung
der Widerstandsheizung soweit zu verringern, daß eine dünne
Schicht aus Halbleitermaterial an der Tiegelwand
auskristallisiert, wodurch der vom Tiegel stammende Eintrag
von Partikeln, Sauerstoff und anderen Verunreinigungen in
die Schmelze vollständig unterbunden wird. Einkristalle, die
nach dieser Verfahrensvariante hergestellt werden, weisen in
bezug auf Reinheit und Sauerstoffgehalt Produkteigenschaften
auf, die mit denen von zonengezogenen Einkristallen ("float
zone grown crystals") vergleichbar sind.
Die ergänzende Anwendung des zweiten, aber statischen
Magnetfelds während des Wachstums des Einkristalls
stabilisiert und steuert die hauptsächlich vom
alternierenden Magnetfeld erzeugten konvektiven Stoffströme
in der Schmelze und dämpft lokale Schwankungen von
Temperatur und Stoffstrom-Geschwindigkeiten. Der Einfluß des
statischen Magnetfelds unterstützt die Vergleichmäßigung der
Konzentrationen von Dotierstoffen, Sauerstoff und anderen
Verunreinigungen vor allem im Bereich der
Kristallisationsgrenze und fördert dabei auch den
gleichmäßigen Einbau dieser Stoffe in den wachsenden
Einkristall. Darüber hinaus sorgt er für eine Beruhigung der
Schmelze im Bereich der Tiegelwand und trägt dadurch
ebenfalls dazu bei, daß der Übertritt von Sauerstoff und
anderen Verunreinigungen in die Schmelze verringert wird. Es
ist bevorzugt, ein statisches Magnetfeld einzurichten, das
eine magnetische Induktion
aufweist, deren
Betrag gleich oder größer ist als 0,05 T, wobei Br und Bz
die radialen und axialen Komponenten der magnetischen
Induktion bezüglich der Drehachse des Tiegels sind. Die
Feldlinien des statischen Magnetfelds können den Tiegel und
die Schmelze axial (Br=0; Bz<0), transversal (Br<0; Bz=0)
oder axial-radial (Br<0; Bz<0) durchdringen. Die optimale
Ausrichtung der Feldlinien ist durch Vorversuche zu
ermitteln, da sie je nach angestrebter Kristall-Spezifikation
unterschiedlich sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das
alternierende Magnetfeld auch dazu verwendet, um festes
Halbleitermaterial im Tiegel zu schmelzen. Bevorzugt wird
die notwendige Schmelzenergie zu einem Teil von der
Widerstandsheizung und zu einem anderen Teil auf induktivem
Weg durch das alternierende Magnetfeld bereitgestellt. Dies
hat den Vorteil, daß der Quarzglastiegel geschont wird und
sich die Lebensdauer des wiederverwendbaren, teueren
Stütztiegels verlängert, weil die von der Widerstandsheizung
abgegebene Wärmestrahlung, die auch den Stütztiegel
belastet, bereits während des Schmelzvorgangs gedrosselt
werden kann. Inbesondere wird aber die Aufschmelzzeit
deutlich verkürzt und der Eintrag von Verunreinigungen in
die Schmelze verringert. Darüber hinaus setzt bereits beim
Schmelzen des Halbleitermaterials die von der Wirkung des
alternierenden Magnetfelds verursachte Homogenisierung der
Schmelze ein. Diese Vorteile können am Anfang des Verfahrens
genutzt werden, um festes Halbleitermaterial, mit dem der
Tiegel gefüllt worden ist, zu schmelzen, und gegebenenfalls
auch später, um Halbleitermaterial zu schmelzen, das in die
bestehende Schmelze, beispielsweise in Form von Granulat,
kontinuierlich oder absatzweise nachchargiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens umfaßt im
wesentlichen die nachfolgend beschriebenen
Verfahrensschritte. Das im Tiegel gegebenenfalls zusammen
mit Dotierstoff vorgelegte, feste Halbleitermaterial wird
zunächst mit Hilfe der Widerstandsheizung soweit erhitzt,
bis auch genügend Energietransfer über das alternierende
Magnetfeld möglich ist. Die weitere Wärmezufuhr erfolgt dann
dann gemeinsam durch die Widerstandsheizung und das
alternierende Magnetfeld, wobei die Heizleistung der
Widerstandsheizung gegebenenfalls dem Energiebeitrag des
Magnetfelds entsprechend herabgesetzt wird. Nachdem alles
Material geschmolzen ist und der Tiegel mit der Schmelze bis
zu einer bestimmten Schmelzenhöhe gefüllt ist, wird,
gegebenenfalls nach einer bestimmten Wartezeit und einer
Drosselung der Heizleistung der Widerstandsheizung, der
Schmelze zusätzlich das statische Magnetfeld aufgeprägt und
mit dem Ziehen des Einkristalls begonnen. Der Impfkristall
wird in die Schmelze eingetaucht und in üblicher Weise mit
einer bestimmten Geschwindigkeit von der Oberfläche der
Schmelze nach oben weggezogen, wobei an seiner Unterseite
der Einkristall aufwächst. Tiegel und Einkristall drehen
sich dabei vorzugsweise gegensinnig mit bestimmten
Drehzahlen. Das Kristallwachstum durchläuft dabei die
bekannten Phasen, während derer Dünnhals, Anfangskonus,
zylindrischer Teil und Endkonus des Einkristalls gezogen
werden. Bevorzugt ist es, auf die ständige Abnahme des
verfügbaren Schmelzenvolumens in Folge des Wachstums des
Einkristalls mit einer Änderung der Amplitude der
magnetischen Induktion Ba des alternierenden Magnetfelds zu
reagieren. Besonders bevorzugt erfolgt die Änderung in
Abhängigkeit der fallenden Schmelzenhöhe gemäß der Gleichung
wobei Ba die geänderte Amplitude, Bao die
anfängliche Amplitude, H die tatsächliche Schmelzenhöhe und
Ho die anfängliche Schmelzenhöhe sind.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur
Herstellung eines Einkristalls aus Halbleitermaterial nach
der Czochralski-Methode, mit einem Rezipienten, in dem ein
mit einer Schmelze gefüllter Tiegel und eine den Tiegel
umgebende Widerstandsheizung untergebracht sind, mit einer
Zieheinrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus der
Schmelze und mit einer magnetischen Einrichtung zum Erzeugen
eines Magnetfelds in der Schmelze, dadurch gekennzeichnet,
daß die magnetische Einrichtung mindestens zwei
Spulen umfaßt, die um den Tiegel angeordnet sind, wobei die
eine Spule ein statisches und die andere Spule ein
alternierendes Magnetfeld erzeugt.
Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 2 schematisch
dargestellt. Die Figur zeigt nur die zum Verständnis der
Erfindung notwendigen Merkmale. In dem Rezipienten 5
befindet sich der mit der Schmelze 2 gefüllte Tiegel 1. Der
Tiegel 1 ist von einer Widerstandsheizung 4 koaxial umgeben
und ruht auf einer drehbaren und axial bewegbaren Welle 3.
Zwischen der Widerstandsheizung und der Rezipientenwand
befinden sich übliche Hitzeschilde, die aber der besseren
Übersicht wegen in der Figur weggelassen sind. Wesentliches
Merkmal der Vorrichtung ist die das Magnetfeld erzeugende
Einrichtung, die im wesentlichen ein magnetisches System 6
zur Erzeugung eines alternierenden Magnetfelds und ein
magnetisches System 7 zur Erzeugung eines statischen
Magnetfelds umfaßt und vorzugsweise von einem Ring 8 aus
einem magnetischen Werkstoff umgeben ist. Sie ist außerhalb
des Rezipienten 5 um den Tiegel 1 herum angeordnet und hat
eine Höhe, die ungefähr der Höhe des Tiegels 1 entspricht.
Im einfachsten Fall bestehen die magnetischen Systeme 6 und
7 aus je einer Spule. Das magnetische System 6 ist über den
elektrischen Anschluß 10 mit der Gleichstromquelle 12 und
das magnetische System 7 über den elektrischen Anschluß 9
mit der Wechselstromquelle 11 verbunden. Die Stromzufuhr
wird über die in den jeweiligen Stromkreis eingebundenen
Regler 14 und 15 eingestellt. Eine Schutzhaube 13 schirmt
die magnetische Einrichtung nach außen hin ab.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Beispiel
beschrieben:
Der Quarzglastiegel einer gemäß Fig. 2 umgebauten
Vorrichtung zur Herstellung von Einkristallen wurde mit 4,6
kg Silicium und 96 mg einer Phosphor/Silicium-Legierung mit
einer spezifischen Leitfähigkeit von ungefähr 2 * 10-3 Ω * cm
gefüllt. Anschließend wurde der Rezipient evakuiert und mit
einem konstanten Argonstrom bei einem Druck von 10 mbar
gespült. Danach wurde die Widerstandsheizung angeschaltet
und der Tiegel mit 5 Umdrehungen pro Minute gedreht. Die
Spule zum Erzeugen des alternierenden Magnetfelds wurde etwa
30 Minuten später mit der Wechselstromquelle verbunden. Da
die Spannungsquelle eine Wechselspannung von 150 Hz abgab,
erzeugte die Spule einalternierendes Magnetfeld im Tiegel,
dessen relative Frequenz ε ungefähr 15 betrug. Die
Wechselstromfrequenz war so gewählt worden, daß die
Amplitude Ba der magnetischen Induktion einen Wert von 0,2 T
aufwies. Nachdem alles Material im Tiegel geschmolzen war,
wurde die Schmelze noch 10 Minuten bei unveränderter
Wärmezufuhr belassen, um eine vollständige Homogenisierung
der Schmelze abzuwarten. Danach wurde auch das magnetische
System zur Erzeugung des statischen Magnetfelds
hinzugeschaltet und dessen Versorgung mit Gleichstrom
langsam erhöht, bis eine magnetische Induktion Bc=0,1 T
erreicht war.
Vor dem Eintauchen des Impfkristalls in die Schmelze wurde
die Heizleistung der Widerstandsheizung auf 15 kW
zurückgeregelt. Die Zucht des Einkristalls erfolgte dann in
üblicher Weise, mit dem Ziehen des Dünnhalses, des
Anfangskonus, des zylindrischen Teils und des Endkonus des
Einkristalls. Beim Ziehen des zylindrischen Teils mit einem
Durchmesser von 80 mm und einer Länge von 250 mm drehte sich
der Einkristall mit einer Geschwindigkeit von 15 Umdrehungen
pro Minute. Die Ziehgeschwindigkeit betrug während dieser
Phase 2 mm/min. Mit der Abnahme der Schmelzenhöhe wurde die
Amplitude Ba der magnetischen Induktion des alternierenden
Magnetfelds bis zur Fertigstellung des Einkristalls von 0,02
T auf 0,4 T erhöht.
Die Analyse des zylindrischen Teils des abgekühlten
Einkristalls ergab eine Schwankungsbreite beim axial
gemessenen spezifischen Widerstand von 8%. Weitere
Ergebnisse von Messungen an erfindungsgemäß hergestellten
Einkristallen sind in der nachfolgenden Tabelle
zusammengestellt. Zum Vergleich sind auch entsprechende
Ergebnisse von Einkristallen aufgelistet, deren Herstellung
gemäß des Beispiels, jedoch ohne die Einwirkung eines
Magnetfelds (No. 1) oder nur mit Einwirkung eines statischen
(No. 2) oder alternierenden (No. 3) Magnetfelds erfolgte. In
der Tabelle bedeuten: Bao die Amplitude der magnetischen
Induktion des alternierenden Magnetfelds zu Beginn des
Wachstums des Einkristalls, Bc die magnetische Induktion des
statischen Magnetfelds, C die mittlere
Sauerstoffkonzentration an der axialen Position g* im
Einkristall, ΔC die radiale Schwankungsbreite der
Sauerstoffkonzentration und Δσ die radiale Schwankungsbreite
der Dotierstoffverteilung. Der Parameter g* gibt die
relative axiale Meßposition an. Er ist definiert als g/G,
wobei g die bis zu dieser Position kristallisierte Masse und
G die Masse der Schmelze ist.
Die Meßwerte zeigen deutlich die Verbesserungen, die bei
Anwendung einer Kombination eines alternierenden und eines
statischen Magnetfelds in bezug auf die Homogenität der
Dotierstoff- und Sauerstoffverteilung zu erwarten sind. Sie
zeigen auch, daß niedrige Sauerstoffkonzentrationen in
Einkristallen gezielt eingestellt werden können.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus
Halbleitermaterial nach der Czochralski-Methode durch
Wegziehen eines in eine Schmelze getauchten
Impfkristalls von der Oberfläche der Schmelze, wobei
sich die Schmelze bis zu einer bestimmten Höhe in einem
drehbaren Quarzglastiegel befindet und durch
Aufschmelzen von festem Halbleitermaterial und
gegebenenfalls Dotierstoffen erzeugt wird, und die
Schmelze während des Kristallwachstums unter dem Einfluß
eines Magnetfelds steht, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß das Magnetfeld durch Überlagern eines statischen
Magnetfelds und eines alternierenden Magnetfelds erzeugt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das statische Magnetfeld eine magnetische Induktion
aufweist, deren Betrag gleich oder größer ist
als 0,05 T, wobei Br und Bz die radialen und axialen
Komponenten der magnetischen Induktion bezüglich der
Drehachse des Tiegels sind und das statische Magnetfeld
axial, transversal oder axial-radial ausgerichtet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das alternierende Magnetfeld eine relative Frequenz ε =
2πµoσfR² besitzt, die im Bereich von 5 bis 50 liegt, und
eine magnetische Induktion mit einer Amplitude von
mindestens Ba = C/R aufweist, wobei µo die magnetische
Permeabilität im Vakuum ist (µo = 4π10-7 H/m) und σ die
elektrische Leitfähigkeit der Schmelze, f die
Wechselstromfrequenz der Stromversorgung des Magneten
und R der Radius des Tiegels bedeuten und C eine
Konstante ist, deren Wert 1 * 10-3 T * m beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
auf die beim Ziehen des Einkristalls erfolgende Abnahme
der Schmelzenhöhe mit einer Änderung der Amplitude der
magnetischen Induktion des alternierenden Magnetfelds
gemäß der Gleichung
reagiert wird, wobei
Ba die geänderte Amplitude, Bao die anfängliche
Amplitude, H die tatsächliche Schmelzenhöhe und Ho die
anfängliche Schmelzenhöhe sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das alternierende Magnetfeld eine relative Frequenz ε =
2πµoσfR² besitzt, die im Bereich von 5 bis 50 liegt, und
eine magnetische Induktion mit einer Amplitude von
mindestens Ba = C/R aufweist, wobei µo die magnetische
Permeabilität im Vakuum ist (µo = 4π10-7 H/m) und σ die
elektrische Leitfähigkeit der Schmelze, f die
Wechselstromfrequenz der Stromversorgung des Magneten
und R der Radius des Tiegels bedeuten und C eine
Konstante ist, deren Wert 1 * 10-3 T * m beträgt, und der
Einbau von Sauerstoff in den Einkristall über die Höhe
der relativen Frequenz ε gesteuert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das festes Halbleitermaterial vor Beginn des
Kristallzugs mit Hilfe einer Widerstandsheizung und mit
Hilfe des alternierenden Magnetfelds aufgeschmolzen
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
festes Halbleitermaterial während des Ziehens des
Einkristalls in den Tiegel nachchargiert wird und mit
Hilfe einer Widerstandsheizung und des alternierenden
Magnetfelds aufgeschmolzen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schmelze während des Ziehens des Einkristalls mit
Hilfe einer Widerstandsheizung und der sich
überlagernden Magnetfelder ein radiales Temperaturprofil
aufgeprägt wird, welches zwischen dem Einkristall und
der Tiegelwand ein Temperaturmaximum aufweist und an der
Tiegelwand und im Bereich der Kristallisationsgrenze
Temperaturen vorsieht, die nur geringfügig über dem
Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schmelze während des Ziehens des Einkristalls mit
Hilfe einer Widerstandsheizung und der sich
überlagernden Magnetfelder ein radiales Temperaturprofil
aufgeprägt wird, welches zwischen dem Einkristall und
der Tiegelwand ein Temperaturmaximum aufweist und an der
Tiegelwand Temperaturen vorsieht, die unter dem
Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegen.
10. Vorrichtung zur Herstellung eines Einkristalls aus
Halbleitermaterial nach der Czochralski-Methode, mit
einem Rezipienten, in dem ein mit einer Schmelze
gefüllter Tiegel und eine den Tiegel umgebende
Widerstands-Heizung untergebracht sind, mit einer
Zieheinrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus der
Schmelze und mit einer magnetischen Einrichtung zum
Erzeugen eines Magnetfelds in der Schmelze, dadurch
gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung
mindestens zwei Spulen umfaßt, die um den Tiegel
angeordnet sind, wobei die eine Spule ein statisches und
die andere Spule ein alternierendes Magnetfeld erzeugt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetische Einrichtung von einem Ring aus einem
magnetischen Werkstoff umgeben ist.
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