DE19847695A1 - Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls - Google Patents
Verfahren zum Ziehen eines EinkristallsInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, wobei ein monokristalliner Impflingskristall mit schmelzflüssigem Material in Kontakt gebracht wird und eine Phasengrenze zwischen festem und schmelzflüssigem Material gebildet wird, und schmelzflüssiges Material unter Ausbilden eines Dünnhalskristalls und eines zylinderförmigen Einkristalls zum Erstarren gebracht wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Ziehen des Dünnhalskristalls darauf geachtet wird, daß der Quotient V/G(r) größer ist als eine Konstante C¶krit¶ mit dem Wert 1,3*10·-3· cm·2·/Kmin, wobei V die Ziehgeschwindigkeit, G(r) der axiale Temperaturgradient an der Phasengrenze und r der radiale Abstand vom Zentrum des Dünnhalskristalls sind.
Description
Die am häufigsten eingesetzten Verfahren zum Ziehen eines
Einkristalls durch die Erstarrung von schmelzflüssigem Material
sind das Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren) und das
Zonenschmelzen (FZ-Verfahren). Diese Verfahren sind
beispielsweise in Semiconductor Silicon Crystal Technology von
F. Shimura (Academic Press, London 1988, Seiten 124-127,
130-131 und 135) am Beispiel der Herstellung von Einkristallen aus
Silicium beschrieben.
Die Herstellung von Siliciumeinkristallen nach den genannten
Verfahren gliedert sich in mehrere Phasen:
Nach dem Schmelzen von polykristallinem Silicium (Poly- Silicium) wird ein Impflingskristall vorgegebener Kristallorientierung mit der Schmelze in Kontakt gebracht und danach ein 2-3 mm dünner und mehrere Zentimeter langer Dünnhalskristall gezogen, dessen Durchmesser anschließend auf den Solldurchmesser des herzustellenden Siliciumeinkristalls gesteigert wird. Die Phase des Ziehens des Dünnhalskristalls dient dazu, im Impflingskristall vorhandene Versetzungen zu eliminieren und wird im Stand der Technik nach dem Prinzip von Dash durchgeführt (W. C. Dash, J. Appl. Phys. 29 (1958), 736-737). Gelingt es während dieser Phase nicht, die Versetzungen zu eliminieren, so ist es nicht möglich, anschließend einen versetzungsfreien Siliciumeinkristall herzustellen.
Nach dem Schmelzen von polykristallinem Silicium (Poly- Silicium) wird ein Impflingskristall vorgegebener Kristallorientierung mit der Schmelze in Kontakt gebracht und danach ein 2-3 mm dünner und mehrere Zentimeter langer Dünnhalskristall gezogen, dessen Durchmesser anschließend auf den Solldurchmesser des herzustellenden Siliciumeinkristalls gesteigert wird. Die Phase des Ziehens des Dünnhalskristalls dient dazu, im Impflingskristall vorhandene Versetzungen zu eliminieren und wird im Stand der Technik nach dem Prinzip von Dash durchgeführt (W. C. Dash, J. Appl. Phys. 29 (1958), 736-737). Gelingt es während dieser Phase nicht, die Versetzungen zu eliminieren, so ist es nicht möglich, anschließend einen versetzungsfreien Siliciumeinkristall herzustellen.
Solche Siliciumeinkristalle sind das Grundmaterial für
elektronische Bauelemente, deren Funktionstüchtigkeit
beispielsweise von der Defektfreiheit des Grundmaterials
abhängt, woraus die Forderung nach defektfreien und damit auch
versetzungsfreien Einkristallen resultiert.
Im Zusammenhang mit der Herstellung von Siliciumeinkristallen
wurde eine Studie veröffentlicht (E. Dornberger und W. v. Ammon,
Journal Of The Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 5. May 1996,
1648-1653), die das Auftreten bestimmter Kristalldefekte beim
Ziehen eines Einkristalls mit bestimmten Parametern, die beim
Ziehen des Einkristalls eine Rolle spielen, in Beziehung setzt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun gefunden, daß
bei der Herstellung eines Einkristalls nicht nur die
Bedingungen während des Ziehens des Einkristalls von besonderer
Bedeutung sind.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ziehen eines
Einkristalls, wobei ein monokristalliner Impflingskristall mit
schmelzflüssigem Material in Kontakt gebracht wird und eine
Phasengrenze zwischen festem und schmelzflüssigem Material
gebildet wird, und schmelzflüssiges Material unter Ausbilden
eines Dünnhalskristalls und eines zylinderförmigen Einkristalls
zum Erstarren gebracht wird, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß beim Ziehen des Dünnhalskristalls darauf geachtet wird, daß
der Quotient V/G(r) größer ist, als eine Konstante Ckrit mit dem
Wert 1,3.10-3 cm2/Kmin, wobei V die Ziehgeschwindigkeit, G(r) der
axiale Temperaturgradient an der Phasengrenze und r der radiale
Abstand vom Zentrum des Dünnhalskristalls sind.
Es wurde gefunden, daß bei Anwendung des vorgeschlagenen
Verfahrens die Gefahr einer Versetzungsbildung beim Ziehen des
Einkristalls verringert wird und damit die Ansetzhäufigkeit
(Anzahl der notwendigen Versuche zur Herstellung eines
versetzungsfreien Einkristalls) sowie die Ansetzzeit (Zeit vom
ersten Kontakt des Impflingskristalls mit der Siliciumschmelze
bis zum Abschluß des Ziehens des Dünnhalskristalls) abnimmt.
Der Quotient V/G(r) kann angehoben und so in den gewünschten
Bereich gebracht werden, indem bei vorgegebenen thermischen
Verhältnissen die Ziehgeschwindigkeit angehoben wird. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, den axialen
Temperaturgradienten an der Phasengrenze zu verkleinern,
beispielsweise durch Bereitstellen eines den Dünnhalskristall
umgebenden Wärmeschildes.
Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen die Wirkung der beschriebenen
Maßnahmen.
In beiden Figuren ist der berechnete Quotient V/G(r) über r des
Dünnhalskristalls aufgetragen. Die fett gezeichnete Linie hat
den Wert ckrit und trennt Bereiche, in denen im Dünnhalskristall
Leerstellen-Defekte (vacancy regime) beziehungsweise
Zwischengitter-Defekte (interstitial regime) überwiegen. Fig.
1 und Fig. 2 unterscheiden sich insbesondere dadurch, daß bei
den in Fig. 2 dargestellten Ziehversuchen (Ziehprozeß 2) ein
Wärmeschild eingesetzt wurde, der ein größeres G(r) erzeugte,
als der bei den Versuchen gemäß Fig. 1 (Ziehprozeß 1)
verwendete Wärmeschild. Die Vergrößerung von G(r) bei ansonsten
identischer Ziehgeschwindigkeit V führt zu einer Verringerung
des Quotienten V/G(r) und damit zu der Gefahr einer
Unterschreitung der Konstante Ckrit in den Bereich, in dem im
Siliciumeinkristall Zwischengitter-Defekte dominieren
(interstitial regime).
Die nachfolgenden Beispiele verdeutlichen die Wirksamkeit des
vorgeschlagenen Verfahrens bei der industriellen Herstellung
von Siliciumeinkristallen. Verwendet wurde für die
nachfolgenden Versuchsdurchführungen eine Czochralski-
Kristallziehanlage nach dem Stand der Technik. Die Einwaage von
hochreinem Poly-Silicium betrug 70 kg.
Die Auswirkung des Quotienten V/G(r) auf die Ansetzhäufigkeit
wird in Fig. 3 demonstriert. In dieser Abbildung wird die
Ansetzhäufigkeit zweier Ziehprozesse über einen
Auswertezeitraum von 40 Wochen dargestellt und miteinander
verglichen. Der Ziehprozeß 2 ist dadurch gekennzeichnet, daß er
im Vergleich zum Ziehprozeß 1 einen größeren Quotienten V/G(r)
bei sonst identischen Ziehbedingungen aufweist (vergleiche auch
Fig. 1 und 2). Durch die Anhebung des Quotienten V/G(r) beim
Dünnhalsziehen in den Bereich des vacancy regimes wird die
Gefahr einer Versetzungsbildung vermindert und damit beim
optimierten Ziehprozeß (Ziehprozeß 2) die Ansetzhäufigkeit
verringert.
Die Anhebung des Quotienten V/G(r) kann auch durch eine
Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit V erfolgen, was in den Fig.
4a und 4b demonstriert wird.
In beiden Versuchen wurde bei sonst identischen Ziehbedingungen
während des Dünnhalsziehens die mittlere Ziehgeschwindigkeit
vom Anfang bis zum Ende des Dünnhalskristalls gesteigert. In
beiden Fällen wurde eine maximale Ziehgeschwindigkeit von
8 mm/min nicht überschritten.
Versuch 1 führte zu keinem versetzungsfreien Dünnhals und damit
auch zu keinem versetzungsfreien Siliciumeinkristall.
Durch eine Optimierung der Ziehgeschwindigkeit führte der
Versuch 2 zu einem versetzungsfreien Dünnhalskristall und damit
auch zu einem versetzungsfreien Siliciumeinkristall.
Im Versuch 1 betrug die Ziehgeschwindigkeit im letzten Teil des
Dünnhalskristalls (Bereich 170-200 mm) typischerweise zwischen
2-8 mm/min. Im Versuch 2 betrug die Ziehgeschwindigkeit im
letzten Teil des Dünnhalskristalls (Bereich 170-200 mm)
typischerweise zwischen 4-8 mm/min.
Diese Anhebung der Ziehgeschwindigkeit im Versuch 2 war
ausreichend, um einen versetzungsfreien Einkristall
herzustellen.
Claims (5)
1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls, wobei ein
monokristalliner Impflingskristall mit schmelzflüssigem
Material in Kontakt gebracht wird und eine Phasengrenze
zwischen festem und schmelzflüssigem Material gebildet wird,
und schmelzflüssiges Material unter Ausbilden eines
Dünnhalskristalls und eines zylinderförmigen Einkristalls zum
Erstarren gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Ziehen des Dünnhalskristalls darauf geachtet wird, daß der
Quotient V/G(r) größer ist, als eine Konstante Ckrit mit dem Wert
1,3.10-3 cm2/Kmin, wobei V die Ziehgeschwindigkeit, G(r) der
axiale Temperaturgradient an der Phasengrenze und r der radiale
Abstand vom Zentrum des Dünnhalskristalls sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einkristall gemäß der Czochralski-Methode gezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einkristall gemäß dem Zonenzieh-Verfahren gezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Ziehen des Dünnhalskristalls ein Wärmeschild bereitgestellt
wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein versetzungsfreies Stück des
Dünnhalskristalls abgetrennt und als Impflingskristall zum
Ziehen eines Einkristalls bereitgestellt wird.
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Also Published As
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