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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Siliziumkristalls nach dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren).
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Wenn
ein Siliziumkristall in einem Quarz-Schmelztiegel nach dem CZ-Verfahren
aus einer Siliziumschmelze gezogen wird, ist die Innenseite des
Schmelztiegels der Siliziumschmelze ausgesetzt, die auf einer hohen
Temperatur gehalten wird. Im Ergebnis ändert sich der Zustand der
Innenseite des Schmelztiegels und wird schlechter. Insbesondere
geht das Quarzglas in eine kristalline Form über, β-Cristobalit. Die Phasenänderung
tritt an vielen Kristallisationsstellen an der Innenseite des Schmelztiegels
auf. Bei einer Auflösung
der inneren Schichten besteht die Gefahr, daß die β-Cristobalit-Formationen hinterschnitten
werden. Wenn die Hinterscheidung groß genug ist, kann die Formation
in die Siliziumschmelze freigegeben werden. Wenn sich das β-Cristobalit
von der Innenseite des Schmelztiegels löst und an der Oberfläche des
gezogenen Silizumkristalls anlagert, kann im Kristall eine Versetzung entstehen.
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Insbesondere
bei der Herstellung eines Siliziumkristalls mit einem Durchmesser
von 8 Zoll oder größer, die
erforderlich sind, um die Anforderungen in den Erhöhungen des
Ausmaßes
der Integration und des Ausmaßes
der Genauigkeit von Halbleitervorrichtungen zu erfüllen, unterliegt
die Innenseite eines Quarz-Schmelztiegels längeren Betriebszeiten und höheren Temperaturen.
Dies führt
zu einer erhöhten Schmelztiegelabnutzung,
womit das Problem der Erzeugung von Versetzungen schneller auftritt.
Um Kristalle mit einem großen
Durchmesser herzustellen, müssen
viel größere Schmelztiegel
verwendet werden, um die Herstellungskosten zu verringern. Zum Beispiel
muß zur
Herstellung eines Siliziumkristalls mit einem Durchmesser von 8
Zoll oder mehr ein Quarz-Schmelztiegel mit einem Durchmesser von etwa
457 mm oder mehr verwendet werden. Um die große Menge an Siliziummaterial
in einem Schmelztiegel mit einem solch großen Durchmesser aufzuschmelzen
und die so erhaltene Siliziumschmelze flüssig zu halten, muß ein Graphitheizer,
der allgemein als Heizelement verwendet wird, auf eine höhere Temperatur
aufgeheizt werden. Als Folge davon wird auch der Quarz-Schmelztiegel
selbst auf eine noch höhere
Temperatur aufgeheizt. Je höher
die Temperatur ist, auf die der Quarz-Schmelztiegel aufgeheizt wird,
um so großer
wird die Gefahr des Auftretens von Abnutzungserscheinungen an der
Innenseite des Schmelztiegels, die mit der Siliziumschmelze in Kontakt
steht, die sich auf einer hohen Temperatur befindet.
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Es
ist allgemein bekannt, daß dieses Schlechterwerden
der Innenseite eines Quarz-Schmelztiegels
bei vielen der verschiedenen bekannten CZ-Ziehverfahren auftritt.
Zum Beispiel tritt diese Verschlechterung beim Mehrfach-Ziehverfahren
auf, bei dem der Schmelztiegel immer wieder neu mit Siliziummaterial
gefüllt
wird, um aus dem gleichen Schmelztiegel eine Anzahl von Siliziumkristallen
zu ziehen; siehe Semiconductor Silicon Crystal Technology, Fumio
Shimura, Seiten 178–179,
1989. Außerdem
tritt die beschriebene Verschlechterung auch bei dem kontinuierlichen
Czochralski-Verfahren (CCZ) auf, bei dem ein Silizumkristall hergestellt
wird, während
das Siliziummaterial kontinuierlich dem Schmelztiegel zugeführt wird.
Bei diesen Verfahren ist die Betriebszeit des Quarz-Schmelztiegels länger, so
daß die
Innenseite des Quarz-Schmelztiegels verschleißt, mit der Folge der beschriebenen
Erzeugung von Versetzungen in den Siliziumkristallen. Es wird dabei
zum Beispiel unmöglich,
die Herstellung von Siliziumkristallen beim Mehrfach-Ziehverfahren fortzusetzen,
und bei dem CCZ-Verfahren muß die
Herstellung eines Siliziumkristalls auf halbem Weg abgebrochen werden.
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Das
US-Patent Nr.
5 357 898 an
Kirosawa et al. beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Kristalls,
bei dem eine Elektrode mit einer Schmelze in Kontakt gebracht wird,
zwischen der Elektrode und einem Metallbehälter ein elektrischer Strom
durch die Schmelze geleitet wird und der Strom so gesteuert wird,
daß er
nahezu bei Null bleibt. Damit sollen die elektrochemischen Reaktionen
zwischen dem Metall-Schmelztiegel und der Schmelze minimal gehalten
werden. Der Metallbehälter
besteht hauptsächlich
aus Platin oder einer Platinlegierung.
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Das
US-Patent Nr.
4 330 359 an
Shlichta beschreibt einen Elektromigrationsprozeß zum Reinigen des geschmolzenen
Siliziums während
des Kristallwachstums. Zum Anlegen eines Stroms an die Siliziumschmelze
wird eine Gleichstromquelle vorgesehen. Der hochgezogene Siliziumkristall
bildet die negative Elektrode, während
vorzugsweise der Schmelztiegel die positive Elektrode bildet. Die
angelegten Gleichspannungen liegen im Bereich von 1 bis 10 Volt
bei einem Strom von über
100 Ampere. Bei diesen Spannungen und Strömen ist zu erwarten, daß der Kristall
durch Widerstandsheizung aufgeheizt wird. Es ist nicht möglich, diesen
Prozeß bei
einem Quarz-Schmelztiegel im elektrischen Stromkreis anzuwenden,
wie er beim Czochralski-Kristallwachstum allgemein verwendet wird.
Der elektrische Widerstand des Stromkreises über den Schmelztiegel erlaubt
keine Stromwerte von mehr als 100 Ampere mit einer Spannung von
nur 1 bis 10 Volt. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung nehmen
an, daß Spannungen
von über
80000 Volt Gleichstrom erforderlich sind, um Stromwerte von über 100
Ampere zu erhalten.
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Die
WO 86/02919 beschreibt ein
verbessertes Quarzglasprodukt und/oder ein verbessertes Qualitätsprodukt,
das bei hohen Temperaturen in einem Quarzglasbehälter hergestellt wird. Die
Produkte werden dadurch erhalten, daß über die Grenzflächen des
Quarzglaskörpers
und des Quarzglasbehälters
eine Polarisationsspannung angelegt wird, die ein Wegwandern von
Verunreinigungsionen von einer der Grenzflächen bewirkt.
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Die
JP 62-275087 beschreibt
eine Einrichtung zum sofortigen Feststellen des Austretens einer Schmelze
aus einem Schmelztiegel. Die Leckage wird dadurch erfaßt, daß zwischen
einem Schmelztiegelhalter und einem Keimkristallhalter eine Konstantspannung
angelegt wird und Änderungen
in der Spannung oder im Widerstand festgestellt werden.
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Entsprechend
besteht ein Erfordernis nach einem Verfahren zum Herstellen eines
Siliziumkristalls, bei dem die Möglichkeit
des Bewirkens einer Verschlechterung der Innenseite eines Quarz-Schmelztiegels
verringert ist oder eine verschlechterte Innenseite des Schmelztiegels
wiederhergestellt werden kann, wodurch es möglich wird, einen Siliziumkristall
mit einem großen
Durchmesser herzustellen, während
die Erzeugung von Versetzungen reduziert ist. Bezüglich des
Mehrfach-Ziehverfahrens besteht ein Erfordernis nach einem Verfahren
zum Herstellen einer größeren Anzahl
von Siliziumkristallen aus einem einzigen Quarz-Schmelztiegel, und
bezüglich
des CCZ-Verfahrens wird gefordert, daß ein und derselbe Quarz-Schmelztiegel über eine
längere
Zeitspanne in Betrieb bleiben kann, wodurch es möglich wird, mehr und/oder längere Kristalle
herzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Gegensatz zu der Vorgehensweise nach dem beschriebenen US-Patent
Nr.
5 357 898 an Kirosawa
et al. ist bei der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen, den
Strom zur Verhinderung einer elektrochemischen Reaktion zu stoppen,
sondern es wird im Gegenteil der Strom dazu verwendet, die Entglasung
zu verbessern.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen eines Siliziumkristalls zu schaffen, bei dem die
Verschlechterung der Innenseite eines Quarz-Schmelztiegels verringert
oder verhindert wird oder bei dem eine verschlechterte Innenseite
des Schmelztiegels wiederhergestellt werden kann, wodurch es möglich wird, einen
Siliziumkristall mit einem großen
Durchmesser herzustellen, während
die Erzeugung von Versetzungen herabgesetzt ist.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zum Herstellen einer größeren Anzahl
von Siliziumkristallen aus einem einzigen Quarz-Schmelztiegel, etwa
mit dem Mehrfach-CZ-Ziehverfahren, zu schaffen.
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Noch
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zu schaffen, das es erlaubt, ein und denselben Quarz-Schmelztiegel über eine
längere
Zeitspanne zu betreiben, wodurch es möglich wird, etwa durch das
CCZ-Verfahren einen längeren
Kristall herzustellen.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß das Anlegen
eines elektrischen Potentials an einen mit einer Siliziumschmelze
gefüllten
Quarz-Schmelztiegel zur Folge hat, daß eine Verschlechterung der
Innenseite des Quarz-Schmelztiegels unwahrscheinlich wird oder weniger
wahrscheinlich, und daß es
in Ausführungsformen
möglich
ist, eine verschlechterte Innenseite des Schmelztiegels wiederherzustellen.
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Der
genaue Mechanismus dieses Phänomens
ist zwar nicht klar, die Theorie der Erfinder dazu ist jedoch folgende:
Wenn an einen mit einer Siliziumschmelze gefüllten Quarz-Schmelztiegel eine
Spannung angelegt wird, entglast die Innenseite des Quarz-Schmelztiegels gleichmäßig zu einer
hauptsächlich
aus β-Cristobalit
bestehenden Oberfläche. Die
gleichmäßige Entglasung
verringert das Auftreten von lokalisierten kleinen β-Cristobalit-Formationen.
Da sich β-Cristobalit
schwerer löst
als amorpher Quarz, weist die Oberfläche des Schmelztiegels einen
größeren Widerstand
gegen das Unterschneiden und Ablösen
von kleinen kristallinen Partikeln auf. Wenn keine kristallinen
Partikel vorhanden sind, erhöht
sich die Wahrscheinlichkeit für
das Erzeugen eines versetzungsfreien Kristalls. Der Schmelztiegel verschleißt nicht
so schnell, so daß die
effektive Batch-Zeit größer wird.
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Im
Patentanspruch 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen
eines Siliziumkristalls beschrieben.
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Im
Patentanspruch 13 ist eine Kristallwachstumsvorrichtung beschrieben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine vertikale Schnittansicht,
die ein Beispiel für
eine Vorrichtung zeigt, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Herstellen eines Siliziumkristalls nach der CZ-Methode verwendet
werden kann.
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2 ist ein Querschnitt durch
einen Schmelztiegel, der die gemessene Schmelztiegelverschlechterung
vom anfänglichen
Schmelzpegel an zeigt.
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3 zeigt graphisch die Auswirkungen
von verschiedenen Spannungen, dem Stromtyp (Wechselstrom oder Gleichstrom)
und dem Anbringungsort der positiven und negativen Anschlüsse auf
die Schmelztiegelverschlechterung, ausgedrückt als die Beziehung zwischen
der prozentualen Oberflächenrauhigkeit
gegen den Abstand von der anfänglichen Oberfläche der
Schmelze.
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4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen
von beispielhaften Stromquellen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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5a bis 5e zeigen beispielhafte Wechsel- und
Gleichspannungskurven gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Erfindungsgemäß wird ein
verbesserter Kristallwachstumsprozeß geschaffen, der gegenüber den
bekannten Kristallwachstumsprozessen die Vorteile eines erhöhten Durchsatzes
und einer erhöhten Wirksamkeit
aufweist. Diese Vorteile werden dadurch erhalten, daß an einen
Schmelztiegel eine elektrische Spannung angelegt wird, um dadurch
die Verschlechterung des Quarz-Schmelztiegels zu verlangsamen oder
sogar umzukehren. Bei den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ermöglicht die
elektrische Spannung das Wachsenlassen von mehr Siliziumkristallen
oder von längeren
und/oder größeren Siliziumkristallen
aus dem gleichen Quarz-Schmelztiegel, bevor der Quarz-Schmelztiegel
durch einen neuen Schmelztiegel ersetzt werden muß.
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Die
vorliegende Erfindung ist in ihren Ausführungsformen auch auf eine
Vorrichtung zum Durchführen
des beschriebenen Prozesses gerichtet. In diesen Ausführungsformen
entspricht die Vorrichtung im allgemeinen den verschiedenen bekannten
Kristallwachstumsvorrichtungen und beinhaltet des weiteren eine
Energiequelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung an den Quarz-Schmelztiegel,
der die Siliziumschmelze enthält.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Energiequelle in die Kristallwachstums-(oder
Kristallzieh-)-Vorrichtung eingebaut, um die elektrische Spannung
zu erzeugen. Erfindungsgemäß kann sowohl
eine variable als auch eine Konstant-Energiequelle verwendet werden.
In den Ausführungsformen wird
jedoch eine variable Energiequelle bevorzugt, da sie eine Einstellung
des Stromes und/oder der Spannung der zugeführten Energie ermöglicht.
Solche Einstellungen können
in jeder Stufe des Prozesses erfolgen, etwa zwischen den Kristallen,
oder auch während
des Wachstums eines Kristalls, wie es jeweils gerade erforderlich
ist.
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Die
Energiequelle kann, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Energiequelle
umfassen, die von etwa 1 bis etwa 100 V, vorzugsweise 3 bis 24 V, noch
besser 8 bis 12 V an elektrischer Spannung erzeugt. Bei den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden die Spannungen der Energiequelle im
allgemeinen bei niedrigen elektrischen Strömen erzeugt, zum Beispiel von
etwa 0,1 bis etwa 300 mA, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 200 mA.
Dem Fachmann ist natürlich
klar, daß der
Strom und die Spannung der Energiequelle umgekehrt proportional zueinander
(nach dem Ohmschen Gesetz, V=I·R)
variiert werden können,
um in der Kristallwachstumsvorrichtung das gewünschte elektrisches Potential
zu erzeugen. Außerdem
können
Spannungen und Ströme
verwendet werden, die außerhalb
der oben angegebenen Bereiche liegen, solange die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung gelöst
wird.
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Der
elektrische Strom kann entweder ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom
sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird bei einem Strom von etwa 2 bis 15
mA eine elektrische Spannung von 12 V Gleichstrom angelegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Energiequelle jede geeignete Energiequelle oder Schaltung
sein, die in der Lage ist, über
den Quarz-Schmelztiegel die gewünschte
elektrische Spannung zu erzeugen. Die Energiequelle kann somit,
ohne darauf beschränkt
zu sein, eine Batterie, ein Netzteil, ein Wechsel-Gleichstromwandler,
ein Gleich-Wechselstromwandler, ein geladener Kondensator und dergleichen
sein.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Energiequelle (oder der elektrische
Spannungsgenerator) eine einzige Energiequelle sein oder jede Kombination
von mehreren Energiequellen, die ermöglicht, daß über den Quarz-Schmelztiegel
das gewünschte
elektrische Potential angelegt werden kann. Obwohl zum Beispiel
die in der 1 gezeigte
Ausführungsform
nur eine einzige Energiequelle zeigt, etwa eine Batterie, kann jede
einer Vielzahl von gleichwertigen Schaltungen verwendet werden,
ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Energiequelle der 1 ist schematisch in der 4a als einfache Energiequelle
gezeigt.
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In
den Ausführungsformen
kann die in den 1 und 4a gezeigte einfache Energiequelle
leicht durch zum Beispiel ein System mit zwei Energiequellen mit
einer gemeinsamen Masse ersetzt werden. Eine solche Ausführungsform
ist schematisch in der 4b gezeigt.
Auf der Basis der vorliegenden Beschreibung sind für den Fachmann
zahlreiche andere Variationen offensichtlich.
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In
den Ausführungsformen
ist es auch möglich,
eine Batterie oder ein Netzteil als Energiequelle komplett durch
eine andere Komponente zu ersetzen, um das Ziel des Erzeugens einer
Potentialdifferenz über
die Siliziumschmelze zu erreichen. Zum Beispiel kann es bei bestimmen
Ausführungsformen, bei
denen der Stromkreis dem elektrischen Strom einen hohen Widerstand
entgegensetzt, unnötig
sein, zum Anlegen der elektrischen Spannung eine Energiequelle zu
verwenden. Es kann in solchen Ausführungsformen ausreichen, als
Energiequelle nur einen geladenen Kondensator vorzusehen. Die vom
Kondensator abgegebene Spannung nimmt zwar mit dem Fließen von
Strom ab, der hohe Widerstand des Stromkreises kann jedoch eine
fast konstante elektrische Spannung mit minimalem Stromfluß über den Quarz-Schmelztiegel
ergeben. Eine solche Ausführungsform
ist schematisch in der 4c gezeigt.
Für den
Fachmann sind viele andere Variationen offensichtlich.
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Der
negative und der positive Anschluß der Energiequelle werden
jeweils so an der Kristallwachstumsvorrichtung angeordnet, daß die elektrische
Spannung an die Vorrichtung angelegt wird. Vorzugsweise werden die
Anschlüsse
so plaziert, daß das
gewünschte
elektrische Potential über
den Quarz-Schmelztiegel an die Vorrichtung angelegt wird.
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Insbesondere
wird bei den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der negative oder der positive Anschluß so angeordnet,
daß die
elektrische Spannung über
den Keimkristall an der Siliziumschmelze anliegt. Der Anschluß kann daher
zum Beispiel an der Kristallziehstange oder an der Keimkristall-Haltevorrichtung
oder an einer anderen Komponente angebracht werden, die mit dem
Keimkristall in elektrischem Kontakt steht, so daß die Energiequelle leitend
mit dem Kristallziehmechanismus verbunden ist. Der andere, positive
oder negative Anschluß wird so
angeordnet, daß die
elektrische Spannung über den
Quarz-Schmelztiegel an der Siliziumschmelze anliegt. Der Anschluß kann somit
zum Beispiel direkt am Quarz-Schmelztiegel angebracht werden oder
an einer Graphitaufnahme oder einer anderen Aufnahme oder einer
anderen Vorrichtung, die den Quarz-Schmelztiegel hält oder trägt, oder er wird an irgend
einer anderen Komponente angebracht, die mit dem Quarz-Schmelztiegel
in elektrischem Kontakt steht, so daß die Energiequelle auch mit
dem Schmelztiegel und/oder dem Schmelztiegelhalter des Haltemechanismusses
leitend verbunden ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der negative Anschluß der
Energiequelle am Ziehelement der Kristallwachstumsvorrichtung angebracht, und
der positive Anschluß der
Energiequelle ist an einer Aufnahme für die Kristallwachstumsvorrichtung angebracht.
Es ist jedoch auch die entgegengesetzte Anordnung (d.h. der positive
Anschluß ist
am Ziehelement angebracht und der negative Anschluß an der Aufnahme)
möglich.
Bei der Verwendung einer Wechselstrom-Energiequelle wechseln die
positiven und negativen Anschlüsse
dauernd ab.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird die elektrische Spannung vorzugsweise
als Konstantspannung über
den Quarz-Schmelztiegel angelegt. Für den Fachmann ist es jedoch
offensichtlich, daß die
Ziele der vorliegenden Erfindung auch da durch erhalten werden können, daß die elektrische
Spannung in einer von vielen Wellenformen angelegt wird. Zum Beispiel
kann, wie in den 5a bis 5e gezeigt, die konstante
elektrische Spannung leicht durch eine periodisch gepulste Wellenform
ersetzt werden, bei der die elektrische Spannung zum Beispiel periodisch
an- und abgeschaltet wird oder von einer niedrigen Spannung zu einer
hohen Spannung wechselt.
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Die
elektrische Spannung kann während
jedes Schrittes des Verfahrens angelegt werden. In den Ausführungsformen
kann die elektrische Spannung vor, während oder nach dem Ziehen
des Siliziumkristalls aus der Siliziumschmelze angelegt werden.
In den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird die elektrische Spannung jedoch
bevorzugt während
wenigstens eines Großteils
(d.h. der Hälfte)
des Kristallziehprozesses angelegt, noch besser während des
ganzen Kristallziehprozesses, um die Degradation zu minimieren.
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Mit
Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen wird nun eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung näher
beschrieben.
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Wie
in der 1 gezeigt, ist
im wesentlichen in der Mitte einer Ziehkammer (Metallkammer) 2 ein Quarz-Schmelztiegel 6 angeordnet,
der von einer Graphitaufnahme 9 gehalten wird. Die Graphitaufnahme 9 ist
von einem Graphitheizer 13 umgeben, der seinerseits von
einem wärmeisolierenden
Zylinder 10 umgeben ist. Der Boden der Aufnahme 9 wird im
Mittelpunkt von einer Haltewelle 11 gehalten, die drehbar
und vertikal beweglich ist. In der Mitte der Decke der Ziehkammer 2 ist
eine Öffnung 12,
mit der eine Subkammer 1 verbunden ist. Ein Ziehelement 3 wie
eine Welle oder ein Draht, der bzw. die drehbar und vertikal beweglich
ist, verläuft
so durch die Subkammer 1, daß sich das Ziehelement 3 nach
unten erstreckt. An der Außenseite
der Ziehkammer 2 ist eine Energiequelle 8 angeordnet,
die über
die Graphitaufnahme 9 eine elektrische Spannung an den Quarz-Schmelztiegel 6 anlegt
und über
das Ziehelement 3 an den Keimkristall 4.
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Wenn
mit dem CCZ-Verfahren ein Siliziumkristall hergestellt wird, wird
der Kristall hochgezogen, während
polykristallines Silizium als Rohmaterial zugeführt wird. In solchen Ausführungsformen
umfaßt
die Kristallziehvorrichtung des weiteren eine Einrichtung (nicht
gezeigt) zum Zuführen
von zusätzlichem
Rohsiliziummaterial zum Schmelztiegel 6 mit dem Verbrauch
des im Quarz-Schmelztiegel vorhandenen Rohmaterials. Im allgemeinen
kann eine solche Zuführeinrichtung
eine Zuführleitung
oder einen anderen Aufbau umfassen, wie er typischerweise bei einem
solchen CCZ-Prozeß verwendet
wird.
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Das
CZ-Verfahren wird im allgemeinen wie folgt ausgeführt:
- 1) Polykristallines Silizium wird als Rohmaterial
in den Quarz-Schmelztiegel 6 eingegeben und dann durch
den Graphitheizer 13 aufgeheizt, wodurch die Siliziumschmelze 7 erhalten
wird.
- 2) Daraufhin wird das Ziehelement 3, das einen Keimkristall 4 festhält, so nach
unten bewegt, daß der
Keimkristall 4 in die Siliziumschmelze 7 eintaucht.
- 3) Dann wird das Ziehelement 3 gedreht und angehoben,
während
die Haltewelle 11 gedreht wird, wodurch ein Kristall 5 wächst, um
einen Siliziumkristall zu erhalten.
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Nach
dem CCZ-Verfahren umfaßt
der Prozeß,
wie allgemein bekannt ist, den weiteren Schritt des Hinzufügens, entweder
in Abständen
oder vorzugsweise kontinuierlich, von zusätzlichem Rohsiliziummaterial
zum Schmelztiegel, um die Siliziumschmelze nachzufüllen, die
in der Form des Siliziumkristalls entnommen wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Herstellen eines Siliziumkristalls umfaßt daher die Schritte
- a) des Anlegens einer elektrischen Spannung
an einen Quarz-Schmelztiegel, der eine Siliziumschmelze enthält; und
- b) das Ziehen eines Siliziumkristalls aus der Siliziumschmelze,
um einen Siliziumkristall zu erhalten.
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Wie
oben beschrieben wird die elektrische Spannung vorzugsweise über wenigstens
den Hauptteil des Ziehprozesses angelegt und vorzugsweise während des
ganzen Siliziumkristallziehprozesses, um die Schmelztiegelverschlechterung
zu verringern. In den Ausführungsformen,
in denen das CCZ-Verfahren verwendet wird, wird daher die elektrische
Spannung vorzugsweise vom Beginn des Kristallziehens an aufrechterhalten
und kann auch während
der in Abständen
erfolgenden oder kontinuierlichen Zugabe von Aufüll-Rohmaterial aufrechterhalten werden,
während
der Siliziumkristall aus der Siliziumschmelze im Schmelztiegel gezogen
wird. In den Ausführungsformen,
in denen das CZ-Verfahren angewendet
wird, um mehrere Einkristalle aus dem gleichen Schmelztiegel zu
ziehen, kann die elektrische Spannung in der Zeit zwischen den aufeinanderfolgenden
Kristallziehoperationen entweder eingeschaltet bleiben oder während solcher
Zeiten abgeschaltet werden.
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Wie
der Fachmann erkennt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die
oben beschriebenen besonderen Verfahren beschränkt. Insbesondere können die
beschriebenen Verfahren bei jedem der verschiedenen bekannten oder
neu entwickelten CZ-Kristallziehverfahren
angewendet werden. Die vorliegende Erfindung kann daher bei vielen
solche Prozessen angewendet werden, einschließlich dem CZ-Mehrfach-Ziehverfahren
und dem CCZ-Verfahren, solange die elektrische Spannung, die für die vorliegende
Erfindung charakteristisch ist, über
den Quarz-Schmelztiegel angelegt wird, um die Schmelztiegelverschlechterung
zu verringern.
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Die
allgemein oben beschriebene vorliegende Erfindung weist gegenüber den
gegenwärtig
verwendeten Kristallziehprozessen und Kristallziehvorrichtungen
wesentliche Vorteile auf. Insbesondere erlaubt die vorliegende Erfindung
durch das Verlangsamen, Verhindern und sogar Umkehren der Verschlechterung
des Quarz-Schmelztiegels einen erhöhten Durchsatz mit geringeren
Gesamtkosten. Da der Quarz-Schmelztiegel nicht schlechter wird oder nur
langsamer schlechter wird, kann der gleiche Schmelztiegel dazu verwendet
werden, um entweder mehr Kristalle zu ziehen (wie beim Mehrfach-CZ-Ziehverfahren) oder
um größere Kristalle
zu ziehen (wie beim CCZ-Verfahren). Dieser Nutzen erhöht den Durchsatz,
da der Schmelztiegel nicht so oft ausgewechselt werden muß, wodurch
sich die Prozeß-Stillstandszeiten
verringern. Dieser Nutzen weist auch öko nomische Vorteile auf, da
sich aus der geringeren Anzahl von benötigten Quarz-Schmelztiegeln Kosteneinsparungen
ergeben.
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Die
folgenden Beispiele zeigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, schränken die
Erfindung jedoch nicht ein. Es ist jedoch aus der obigen und der
folgenden Beschreibung offensichtlich, daß die Erfindung mit vielen
verschiedenen Materialien und mit verschiedenen Betriebsparametern ausgeführt werden
kann und für
eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen genutzt werden kann.
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BEISPIEL
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Beispiel 1
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Eine
Energiequelle wird an einem Ziehelement und einem Graphitaufnehmer
angebracht, der einen Quarz-Schmelztiegel hält, der als Rohmaterial polykristallines
Silizium enthält.
Aus diesem Rohmaterial wird ein Siliziumkristall wachsen gelassen,
erneut aufgeschmolzen und dann wieder wachsen gelassen.
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Der
Kristallwachstumsprozeß wird
mehrere Male wiederholt, wobei die Spannung und/oder die Art oder
Polarität
der Energiequelle verändert
wird. Nach jeder Kristallwachstumsoperation wird die Schmelztiegelverschlechterung
visuell gemessen. Insbesondere wird ein Lineal benutzt, um den Abstand
von der anfänglichen
Oberfläche
der Schmelze zum Boden des Schmelztiegels zu messen (dies ist in
der 2 gezeigt).
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Die
sich ergebenden Daten sind in der Graphik der 3 dargestellt. In der 3 sind die Messungen mit Bezug zu der
prozentualen Oberflächenrauhigkeit
an der vertikalen Achse und dem Abstand von der anfänglichen
Oberfläche
der Schmelze (mm) an der horizontalen Achse aufgetragen.
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Auf
der Basis dieser Untersuchungen wurde festgestellt, daß sich die
geringste Verschlechterung (Oberflächenrauhigkeit = 8%) bei der
Verwendung einer 12 V-Gleichstromquelle ergeben hat, wobei der negative
Anschluß am
Ziehelement und der positive Anschluß an der Graphitaufnahme angebracht
war.