DE60008880T2

DE60008880T2 - Verfahren zur herstellung eines siliziumeinkristalles mittels eines elektrischen potentials

Info

Publication number: DE60008880T2
Application number: DE60008880T
Authority: DE
Inventors: Masahiko Baba; M. Scott KIRKLAND; W. Richard RUDBERG; Susumu Nishishirakawa-gun SONOKAWA; M. Darren TAIE; Akira Uchikawa
Original assignee: SEH America Inc
Current assignee: SEH America Inc
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: WO2001009411A1; EP1200649B1; US6565651B2; DE60008880D1; ATE261503T1; DK1200649T3; AU5627200A; JP2003505335A; US20020020340A1; US6228165B1; EP1200649A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkristalls nach dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren).
2. Beschreibung des Standes der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Im Patentanspruch 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkristalls beschrieben.
Im Patentanspruch 13 ist eine Kristallwachstumsvorrichtung beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
2 ist ein Querschnitt durch einen Schmelztiegel, der die gemessene Schmelztiegelverschlechterung vom anfänglichen Schmelzpegel an zeigt.
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.
4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen von beispielhaften Stromquellen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
5a bis 5e zeigen beispielhafte Wechsel- und Gleichspannungskurven gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
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.
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.
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.

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.
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.

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.
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.
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.
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.
BEISPIEL
Beispiel 1
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.
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).
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.
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.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Siliziumkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, mit den Schritten (a) des Anlegens eines elektrischen Potentials an einen eine Siliziumschmelze enthaltenden Quarz-Schmelztiegel; und (b) des Ziehens eines Siliziumkristalls aus der Siliziumschmelze, wobei das elektrische Potential zwischen 1 und 100 Volt beträgt, und wobei das elektrische Potential die Form eines Gleichstromes oder Wechselstromes hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential zwischen 3 und 24 Volt beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential die Form eines Gleichstromes hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential die Form eines Wechselstromes hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential ein 12-Volt-Gleichstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential durch einen Strom von zwischen 0,1 und 300 mA erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential durch einen Strom von zwischen 1 und 200 mA erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential durch Anbringen eines positiven Anschlusses an der Außenseite des Schmelztiegels oder eine Haltevorrichtung für den Schmelztiegel angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Czochralski-Verfahren ein Mehrfach-Ziehverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Czochralski-Verfahren ein kontinuierliches Ziehverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Czochralski-Verfahren ein Einfach-Ziehverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektrische Potential vom Beginn des Ziehverfahrens bis zum Ende des Ziehverfahrens angelegt wird.
Vorrichtung zum Wachsenlassen eines Kristalls, mit einem Generator für ein elektrisches Potential; und einem Quarz-Schmelztiegel, wobei der Generator für ein elektrisches Potential ein elektrisches Potential über den Quarz-Schmelztiegel erzeugt, und wobei das elektrische Potential zwischen 1 und 100 Volt beträgt und die Form eines Gleichstromes oder Wechselstromes hat, und wobei der positive Anschluß des Generators für ein elektrisches Potential mit der Außenseite des Quarz-Schmelztiegels leitend verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Generator für ein elektrisches Potential mit dem Quarz-Schmelztiegel leitend verbunden ist, um das elektrische Potential zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Generator für ein elektrisches Potential eine Batterie, ein Netzteil, ein Wechselstrom-Gleichstromwandler, ein Gleichstrom-Wechselstromwandler oder ein Kondensator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung des weiteren eine Haltevorrichtung für den Quarz-Schmelztiegel umfaßt und der Generator für ein elektrisches Potential leitend mit der Haltevorrichtung verbunden ist.