Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Züchten eines
einkristallinen Stabs und insbesondere ein Verfahren zum Züchten eines
hochreinen einkristallinen Siliziumstabs mit einem gleichmäßigen
spezifischen elektrischen Widerstand in der Querschnittsebene senkrecht zur
Stabachse mittels eines FZ-Prozesses (»floating zone process«,
Schwebzonenprozeß oder Schwebzonenschmelzprozeß) unter Verwendung einer
Hochfrequenz-Induktionsheizeinrichtung zum Aufheizen und Schmelzen.
Stand der Technik
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Als herkömmliche Verfahren zum Züchten eines einkristallinen
Siliziumstabs sind der vorstehende FZ-Prozeß und der CZ-Prozeß (Czochralski-
Prozeß oder Zieh-Prozeß) bekannt.
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Es ist bekannt, daß das Züchten eines Siliziumeinkristalls nach dem
FZ-Prozeß wie folgt durchgeführt wird:
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Wie in Fig. 8, die später erläutert wird, gezeigt ist, wird in einer
Kammer 5 ein polykristalliner Rohmaterial-Siliziumstab 1 mit einem
festgelegten Durchmesser am unteren Ende einer oberen Welle 10, die von oben
herunterhängt, gehalten; ein vorgeschriebener Impfkristall 7 wird am
oberen Ende einer unteren Welle 8, die darunter angeordnet ist, gehalten;
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ein elektrischer Hochfrequenzstrom wird durch eine Hochfrequenz-Heizspule
2 geleitet, um den Rohmaterialstab 1 und den Impfkristall 7 aufzuheizen
und zu schmelzen und sie im verengten Bereich 6 zu verschmelzen, und sie
werden mit einer überaus geringen Geschwindigkeit abgesenkt, während sie
mit einer festgelegten Geschwindigkeit rotieren, so daß eine Schmelzzone
4 sich allmählich nach oben bewegt, wobei ein einkristalliner
Siliziumstab 3 mit einem festgelegten Durchmesser gezüchtet wird.
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Andererseits wird bei dem CZ-Prozeß der Züchtung eines
Siliziumeinkristalls, wie bekannt ist, ein Impfkristall mit einer gewünschten
Kristallorientierung auf dem unteren Ende einer Zugwelle montiert, und die
Zugwelle wird mit einer festgelegten Rotationsgeschwindigkeit gedreht und
gleichzeitig allmählich nach oben gezogen, wobei das Ende des
Impfkristalls in eine relativ große Menge einer Schmelze von Silizium eintaucht,
so daß ein einkristalliner Siliziumstab mit einem festgelegten
Durchmesser gezüchtet und gebildet wird.
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Die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands eines
einkristallinen Siliziumstabs, der auf die vorstehende Weise gezüchtet
wurde, wird allgemein in die Verteilung in Richtung der Achse des
Züchtens und die Verteilung in der Querschnittsebene senkrecht zu der Achse
eingeteilt. Die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands in
Richtung der Achse des Züchtens und die Verteilung des spezifischen
elektrischen Widerstands in der Querschnittsebene beim FZ-Prozeß und beim CZ-
Prozeß werden nun nachstehend diskutiert.
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Zunächst tritt beim CZ-Verfahren, wenn die Siliziumschmelze als
flüssige Phase, die an dem Impfkristall haftet, sich zu einem
Siliziumeinkristall als feste Phase verfestigt, eine Ausscheidung der Dotiersubstanz
auf; die Konzentration des Dotiermittels nimmt allmählich zu, und der
spezifische elektrische Widerstand nimmt mit dem Wachstums des Kristalls
ab, was zu einer Zunahme der Ungleichmäßigkeit des spezifischen
elektrischen Widerstands in Richtung der Achse des Züchtens führt.
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Da beim FZ-Prozeß eine Siliziumschmelze kontinuierlich von oben in
einer relativ kleinen, begrenzten Menge einer Siliziumschmelze an die
Stelle, wo das Wachstum stattfindet, zugeführt wird, ist die Variation
der Dotiermittelkonzentration in Richtung der Achse des Züchtens in einem
makroskopischen Sinn geringer als im Fall des CZ-Prozesses, und die
Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands in Richtung der Achse
des Züchtens ist gleichmäßig; andererseits wird bei dem FZ-Prozeß jedoch,
da die Menge der Siliziumschmelze an der Stelle, an der das Wachstum
stattfindet, relativ klein ist und die Siliziumschmelze kontinuierlich
von oben zugeführt wird, die Dotiersubstanz in irregulärer Weise in einer
mikroskopischen Menge mit einer Änderung der Konvektion in der Schmelze
im Bereich des Wachstums aufgenommen, wodurch die Ungleichmäßigkeit der
Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands in der
Querschnittsebene senkrecht zu der Achse erhöht wird.
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Fig. 2 (a) ist ein Graph eines Beispiels für das Ausmaß A der
Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands eines Silizium-Wafers in
der Querschnittsebene, wobei der Silizium-Wafer durch Züchten eines
einkristallinen Siliziumstabs mit einem Durchmesser von 100 mm, dessen
Züchtungsorientierung < 111> war, durch Rotation mit einer Geschwindigkeit von
6 U/min und Schneiden des Stabs in einen Wafer mit einer Dicke von 300 µm
erhalten wurde.
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In Fig. 2 (a) ist das Ausmaß A der Änderung des spezifischen
elektrischen Widerstands R wie folgt definiert:
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A = [(Rmax - Rmin)/Rave] x 100 (%)
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worin Rmax den maximalen Wert des gemessenen spezifischen
elektrischen Widerstands R bezeichnet, Rmin den minimalen Wert des gemessenen
spezifischen elektrischen Widerstands R bezeichnet und Rave den
Mittelwert des spezifischen elektrischen Widerstands R in der Waferebene
bezeichnet;
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und das Ausmaß a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands in der Querschnittsebene ist wie folgt definiert:
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a = [(Rmax - Rmin) /Rmin] x 100 (%).
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In diesem Fall besteht der Grund dafür, daß der Wert des Ausmaßes A
der Änderung des spezifischen elektrischen Widerstands R anstelle der
einfachen Auftragung des spezifischen elektrischen Widerstands R
herangezogen wird, darin, daß vermieden werden soll, daß das Ausmaß A der
Änderung des tatsächlichen spezifischen elektrischen Widerstands R groß zu
sein scheint, wenn der spezifische elektrische Widerstand R zunimmt, und
daß abhängig von dem Ausmaß a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands R in der Querschnittsebene die Variation des spezifischen
elektrischen Widerstands R als ein numerischer Wert ausgedrückt werden
kann und Verteilungen der spezifischen elektrischen Widerstände R durch
gegenseitigen Vergleich bewertet werden können.
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Wie aus dem in Fig. 2 (a) gezeigten Graph ersichtlich ist, ist es
verständlich, daß das Ausmaß A der Änderung des spezifischen elektrischen
Widerstands R nahe dem zentralen Bereich des Wafers abnimmt und daß die
Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands in der
Querschnittsebene ungleichmäßig ist. Der Wert des Ausmaßes a der Variation des
spezifischen elektrischen Widerstands R in der Querschnittsebene beträgt 22,1
%.
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Bei der Züchtung eines einzelnen einkristallinen Siliziumstabs, d. h.
bei der Herstellung eines Silizium-Wafers, ist es erforderlich, daß der
Wert des Ausmaßes a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands R in der Querschnittsebene so klein wie möglich ist, und im Fall
bestimmter Geräte, die besonderen Anforderungen unterliegen, ist es
erforderlich, daß das Ausmaß a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands R 3 % oder weniger beträgt.
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Daher ist es in solchen Fällen bekannt, Maßnahmen zu ergreifen, die
darin bestehen, daß ein bestimmter einkristalliner Siliziumstab nach
einem FZ-Prozeß ohne Verwendung einer Dotiersubstanz in der
Siliziumschmelze gezüchtet wird und dann beispielsweise der erhaltene
einkristalline Siliziumstab in einen Kernreaktor gebracht und mit thermischen
Neutronen bestrahlt wird, so daß eine Dotierung mit einem Dotiermittel, das
durch Umwandlung von ³&sup0;Si in ³¹P durch eine Kernreaktion gebildet wird,
erzielt werden kann. Dieses Dotierverfahren durch Neutronenbestrahlung
erfordert jedoch Kernreaktionseinrichtungen, und es ist daher mit dem
Nachteil verbunden, daß die Produktionskosten für Silizium-Wafer
erheblich steigen. Daher besteht ein Bedarf an der Entwicklung von Maßnahmen
zur industriellen Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs, bei dem
der Wert des Ausmaßes a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands R in der Querschnittsebene klein ist.
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Was die Menge an Siliziumschmelze in den Bereichen, in denen das
Wachstum stattfindet, beim FZ-Prozeß und beim CZ-Prozeß betrifft, so
beträgt bei dem erstgenannten Prozeß die Menge etwa 1/100 bis 1/1000 der
Menge bei dem letztgenannten Prozeß, und da es beim FZ-Prozeß im
Vergleich mit dem CZ-Prozeß schwierig ist, die Konvektion in der
Siliziumschmelze künstlich zu steuern, wird beim FZ-Prozeß eine ungleichmäßige
Konzentrationsverteilung des Dotiermittels in der Querschnittsebene des
einkristallinen Siliziumstabs gebildet, was bedeutet, daß eine
ungleichmäßige Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstands nicht
verhindert werden kann.
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Die Konvektion in der Siliziumschmelze beim Züchten eines
einkristallinen Siliziumstabs mittels des FZ-Prozesses beinhaltet die erzwungene
Konvektion, die durch die Rotation des Impfkristalls hervorgerufen wird,
die natürliche Konvektion, die durch das Aufheizen mit einer
Hochfrequenz-Heizspule hervorgerufen wird, und die
Oberflächenspannungskonvektion, die durch die freie Schmelzoberfläche hervorgerufen wird, die im
Vergleich mit der Zunahme des Volumens der Siliziumschmelze wesentlich
stärker zunehmen würde.
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Um das Ausmaß der natürlichen Konvektion und der
Oberflächenspannungskonvektion so weit wie möglich zu verringern, wird erwogen, daß die
erzwungene Konvektion diesen Arten der Konvektion entgegenwirkt; da
jedoch bei dem FZ-Prozeß die Menge an Siliziumschmelze in dem Bereich, in
dem Wachstum stattfindet, klein ist, fehlt der erzwungenen Konvektion die
Stärke, und daher kann die erwünschte Gegenwirkung gegenüber der
natürlichen Konvektion und der Oberflächenspannungskonvektion kaum
sichergestellt werden. Es kann zwar in Betracht gezogen werden, den
einkristallinen
Siliziumstab bei dem Prozeß des Züchtens mit einer höheren
Geschwindigkeit zu rotieren, um zu erreichen, daß die erzwungene Konvektion in
stärkerem Maße auftritt; da jedoch am Anfang des Prozesses des Züchtens
das Gewicht des einkristallinen Siliziumstabs selbst durch den verengten
Bereich, der am unteren Ende des einkristallinen Siliziumstabs gebildet
wird, abgestützt wird, kann der verengte Bereich einer solchen
Hochgeschwindigkeitsrotation nicht standhalten, und es besteht sogar die
Gefahr, daß der einkristalline Siliziumstab bei dem Prozeß des Züchtens
bricht, was diese Idee praktisch undurchführbar macht.
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Um diese Probleme beim Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs
mittels eines FZ-Prozesses zu verringern, wurde von N. De Leon, J.
Guldberg und J. Salling: J. Cryst. Growth, Bd. 55 (1981), S. 406 bis 408
die Maßnahme des Anlegens eines Magnetfelds parallel zur Richtung der
Züchtung an eine Siliziumschmelze vorgeschlagen, und die Autoren
berichten, daß beim Züchten und Bilden eines einkristallinen Siliziumstabs mit
einem Durchmesser von 42 mm unter Anlegung eines Magnetfelds von 0,018 T
(180 Gauß) oder weniger ungefähr parallel zur Achse des Züchtens in dem
dabei erhaltenen Silizium-Wafer das Ausmaß der Variation des spezifischen
elektrischen Widerstands in der Querschnittsebene auf einen geringeren
Wert begrenzt werden konnte.
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Im Hinblick auf industrielle Wafer, die aus einem mittels eines FZ-
Prozesses gezüchteten und gebildeten einkristallinen Siliziumstab
erhalten werden, besteht jedoch gegenwärtig hauptsächlich ein Bedarf an Wafern
mit einem Durchmesser von 75 mm oder mehr. Die Herstellung von Silizium-
Wafern mit einem Durchmesser von 50 mm oder weniger, über die von N. De
Leon et al. berichtet wurde, kann also den gegenwärtig bestehenden Bedarf
nicht erfüllen.
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Bei dem vorstehenden Verfahren, das von N. De Leon et al.
vorgeschlagen wurde, ist beim Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem
Durchmesser von etwa 70 mm oder mehr mittels eines FZ-Prozesses, wenn ein
Magnetfeld von 0,018 T (180 Gauß) ungefähr parallel zur Richtung des
Züchtens an die Siliziumschmelze angelegt wird, die Änderung des
spezifischen elektrischen Widerstands in der Querschnittsebene des Silizium-
Wafers, der aus einem derartig gezüchteten und gebildeten einkristallinen
Siliziumstab erhalten wird, so, daß der spezifische elektrische
Widerstand R nahe dem zentralen Bereich des Wafers erheblich verringert ist,
so daß der Wert des Ausmaßes a der Variation des spezifischen
elektrischen Widerstands R in der Querschnittsebene 20 % übersteigt.
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Ein weiteres Verfahrens des Züchtens eines einkristallinen
Siliziumstabs mittels eines FZ-Prozesses, während ein Magnetfeld angelegt wird,
ist in Journal of Crystal Growth, Bd. 62/3 (August 1983), S. 523 bis 531
beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein Permanentmagnet zur Erzeugung
eines starken transversalen Magnetfelds in der Schmelzzone verwendet. Es
eignet sich nur für einen einkristallinen Siliziumstab mit einem kleinen
Durchmesser von 2 cm.
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Ein Verfahren des Züchtens eines Siliziumstabs mit einem großen
Durchmesser wird in Solid State Technology, Bd. 33/3 (März 1990), S. 83
bis 88 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt nicht die Verwendung eines
Magnetfelds.
Zusamenfassende Darstellung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein
Verfahren zum Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem
Durchmesser von 70 mm oder mehr und einer gleichmäßigen Dotiermittel- oder
Verunreinigungsverteilung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4 gelöst. Die Unteransprüche sind auf
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Das Verfahren zum Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Züchten und Bilden eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem großen
Durchmesser von 70 mm oder mehr mittels eines FZ-Prozesses, das dadurch
gekennzeichnet ist, daß eine ein Magnetfeld bildende Einrichtung über
und/oder unter einer Schmelzzone eines einkristallinen Siliziumstabs
angeordnet ist, der in einer solchen Weise gezüchtet wird, daß der
einkristalline Siliziumstab, der gezüchtet werden soll, von der das Magnetfeld
bildenden Einrichtung umgeben ist und daß während des Züchtens des
einkristallinen Silizumstabs ein Magnetfeld an die Schmelzzone des
einkristallinen Siliziumstabs durch die das Magnetfeld bildende Einrichtung
angelegt wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß die ein Magnetfeld bildende Einrichtung eine Wendelspule
ist, die so angeordnet ist, daß sie den einkristallinen Siliziumstab, der
gezüchtet werden soll, umgibt, und ein elektrischer Gleichstrom durch die
Wendelspule geleitet wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet,
daß der Welligkeitsfaktor des durch die Wendelspule, die als
Einrichtung zur Bildung eines Magnetsfelds dient, fließenden Stroms auf 8
% oder weniger begrenzt wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetfeldintensität in der das Magnetfeld bildenden
Einrichtung auf einen Wert zwischen 0,019 T (190 Gauß) und 0,06 T (600
Gauß) eingestellt wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß der einkristalline Siliziumstab, der gezüchtet wird,
rotiert wird, während das Magnetfeld an den einkristallinen Siliziumstab,
der gezüchtet werden soll, angelegt wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß die Zahl der Rotationen des einkristallinen Siliziumstabs,
der gezüchtet wird, auf 1 bis 8 pro Minute eingestellt wird.
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Das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs gemäß
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auch dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetfeldintensität in der das Magnetfeld bildenden
Einrichtung auf einen Wert zwischen 0,018 T (180 Gauß) und 0,02 T (200
Gauß) eingestellt wird, wenn der Durchmesser des einkristallinen
Siliziumstabs etwa 130 mm übersteigt.
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Ferner ist das Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen
Siliziumstabs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß die Zahl der Rotationen des einkristallinen
Siliziumstabs, der gezüchtet wird, auf einen Wert zwischen 0,5 und 4 pro Minute
eingestellt wird, wenn der Durchmesser des einkristallinen Siliziumstabs
etwa 130 mm übersteigt.
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Wenn also ein einkristalliner Siliziumstab mit einem großen
Durchmesser von etwa 70 mm oder mehr mittels eines FZ-Prozesses unter Einstellung
der vorstehenden Bedingungen für die Züchtung des einkristallinen
Siliziumstabs gezüchtet und gebildet wird, dann kann eine ungleichmäßige
Verteilung eines Dotierungsmittels in dem aus dem einkristallinen
Siliziumstab erhaltenen Silizium-Wafer in der Querschnittsebene verhindert
werden, ohne die Rotationsfrequenz der unteren Welle stark zu erhöhen.
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Die Erzeugung einer erzwungenen Konvektion in einer Siliziumschmelze,
um der natürlichen Konvektion und der Oberflächenspannungskonvektion
entgegenzuwirken,
kann bei einem Verfahren des Züchtens eines Kristalls und
der Erhöhung der Zahl der Rotationen der unteren Welle auf höchstens etwa
8 pro Minute nicht zu der gewünschten Gegenwirkung führen, was bereits
durch unsere Experimente bestätigt wurde. Obwohl ferner die Rotation der
unteren Welle zur erzwungenen Bewegung der Siliziumschmelze unter
Erzeugung einer erzwungenen Konvektion führen kann, führt die
Umfangsgeschwindigkeit der Rotation dazu, daß die erzwungene Konvektion Im Zentrum der
Rotation 0 ist, und daher zeigt sich, da es keine Mischwirkung für ein
Dotierungsmittel durch die Bewegung gibt und das Wachstum an der
Wachstumsgrenzfläche ein facettenartiges Wachstum ist, ein geringer
spezifischer elektrischer Widerstand im zentralen Bereich.
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Wenn jedoch eine Wendelspule etwas über oder unter der
Siliziumschmelze in einer solchen Weise angeordnet wird, daß die Wendelspule den
polykristallinen Siliziumstab als Rohmaterial oder den zu züchtenden
einkristallinen Siliziumstab umgibt und wenn ein Gleichstrom durch die
Wendelspule geleitet wird, um ein Gleichstrom-Magnetfeld in der
Axialrichtung der Züchtung unter Einschluß der Siliziumschmelze zu bilden, dann
ist anzunehmen, daß für den Fall, daß die Wendelspule über der
Siliziumschmelze angeordnet ist, ein nach außen gebogenes Gleichstrom-Magnetfeld,
das sich über und nahe der Siliziumschmelze befindet, und für den Fall,
daß die Wendelspule unter der Siliziumschmelze angeordnet ist, ein nach
außen gebogenes Gleichstrom-Magnetfeld, das sich unter und nahe der
Siliziumschmelze befindet, magnetische Kraftlinien bilden, die senkrecht zur
natürliche Konvektion und zur Oberflächenspannungskonvektlon an der
Oberfläche der Siliziumschmelze sind, wobei sich ein charakteristischer
magnetischer Effekt zeigt, der die natürliche Konvektion und die
Oberflächenspannungskonvektion unterdrückt. Da sich die Siliziumschmelze bei dem
FZ-Prozeß unter dem Einfluß des Gewichts der Siliziumschmelze selbst
befindet, ist jede der äußeren Konfigurationen der Schmelze in der
vertikalen Querschnittsebene hin zur Axialrichtung des Züchtens geneigt und
schneidet die magnetischen Kraftlinien der Wendelspule.
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Wenn ferner ein Gleichstrom durch die Wendelspule geleitet wird, um
ein Magnetfeld anzulegen, und der Gleichstrom Wellen aufweist, dann wird
angenommen, daß die Wellenkomponente einen induzierten Wirbelstrom
hervorruft, der Ungleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit der
Konvektion und der Temperaturverteilung im horizontalen Querschnitt der
entsprechenden Schmelzzone induziert, wobei die Konzentrationsverteilung des
Dotiermittels in dem entsprechenden Querschnitt beeinträchtigt wird, so
daß die obere Grenze des relevanten Welligkeitsfaktors auf einen solchen
Wert begrenzt ist, daß die induzierte ungleichmäßige Verteilung in der
Praxis akzeptiert werden kann.
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Es werden nun der Stand der Technik gemäß dem Vorschlag von N. De
Leon et al. und die vorliegende Technik verglichen.
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Wie teilweise schon vorstehend erläutert wurde, berichteten N. De
Leon et al., daß bei Züchtung eines einkristallinen Siliziumstabs mit
einem Durchmesser von 42 mm bei einer Rotationsgeschwindigkeit der oberen
Welle von 7 Umdrehungen pro Minute und einer Rotationsgeschwindigkeit der
unteren Welle von 3,5 Umdrehungen pro Minute, wobei die Wellen in
entgegengesetzter Richtung rotiert wurden, bei Anlegen eines Magnetfelds von
bis zu 0,018 T (180 Gauß) das Verhältnis [R(Randbereich)/R(zentraler
Bereich)] des spezifischen elektrischen Widerstands in der radialen
Richtung einen minimalen Wert für den Fall eines Magnetsfelds von 0,008 T (80
Gauß) zeigte.
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Wenn diese Technik nach N. De Leon et al. auf das vorliegende
Verfahren zur Züchtung und Bildung eines einkristallinen Siliziumstabs mit
einem Durchmesser von 42 mm angewandt wird, dann kann abgeschätzt werden,
daß die optimale maximale Intensität des angelegten Magnetsfelds 0,05 T
(500 Gauß) oder mehr beträgt und daß die Zahl der Rotationen der unteren
Welle 7 oder mehr pro Minute beträgt, und damit sind die von N. De Leon
et al. angegebenen Ergebnisse von den Ergebnissen der vorliegenden
Erfindung verschieden.
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Der Gesichtspunkt, daß in der vorliegenden Erfindung eine Wendelspule
eine Siliziumschmelze umgibt, aus der ein Siliziumeinkristall mittels
eines FZ-Prozesses gezüchtet wird, und ein Gleichstrom-Magnetfeld
angelegt wird, scheint zu der vorstehenden technischen Idee, die von N. De
Leon et al. vorgeschlagen wurde, identisch zu sein; erfindungsgemäß wird
der FZ-Prozeß, der in der vorliegenden Erfindung genutzt wird, jedoch auf
einen zu züchtenden einkristallinen Siliziumstab angewandt, der einen
größeren Durchmesser von etwa 70 mm oder mehr hat, ist die Spule für die
Hochfrequenz- Induktionsheizung eine Einzelwicklungs-Flachspule, ist der
Innendurchmesser der Spule zumindest kleiner als der Durchmesser des zu
züchtenden einkristallinen Siliziumstabs, und ist die Länge des Bereiches
der Siliziumschmelze kleiner als der Durchmesser des zu züchtenden
einkristallinen Siliziumstabs, so daß die vorliegende Erfindung sich
erheblich von dem Fall nach N. De Leon et al. unterscheidet, da die Länge des
einkristallinen Siliziumstabs relativ zu dessen Durchmesser in der
vorliegenden
Erfindung im Vergleich mit dem einkristallinen Siliziumstab mit
kleinem Durchmesser nach N. De Leon et al. sehr gering ist und daher die
technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung nicht dadurch gelöst werden
kann, daß lediglich die von N. De Leon et al. offenbarte Technik
erweitert wird.
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Von einem völlig anderen Standpunkt als der von N. De Leon et al.
offenbarten Technik aus haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung auf
verschiedene Weise bei einem Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen
Siliziumstabs mit einem großen Durchmesser von etwa 70 mm oder mehr die
Position der Wendelspule relativ zur Siliziumschmelze, die Richtung der
magnetischen Kraftlinien, die Magnetfeldintensität, die
Welligkeitskomponente des durchzuleitenden Gleichstroms, die Rotationsgeschwindigkeit der
unteren Welle und dergleichen untersucht, und sie haben die vorliegende
Erfindung gemacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt schematisch die Bestandteile einer Vorrichtung zum
Züchten von Siliziumeinkristallen, die für das erfindungsgemäße Verfahren zum
Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs verwendet wird; darin ist
Fig. 1 (a) ein Diagramm, das den gesamten Aufbau für den Fall, daß eine
Wendelspule unterhalb der Schmelzzone einer Siliziumschmelze angeordnet
ist, zeigt, und Fig. 1 (b) ist ein Diagramm, das den gesamten Aufbau für
den Fall zeigt, daß eine Wendelspule oberhalb der Schmelzzone einer
Siliziumschmelze angeordnet ist.
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Fig. 2 zeigt die Verteilung des Ausmaßes A der Änderung des
spezifischen elektrischen Widerstands in der Querschnittsebene eines
einkristallinen Siliziumstabs, der nach dem Verfahren eines ersten Beispiels für
die vorliegende Erfindung gezüchtet und gebildet wurde; darin ist Fig. 2
(a) ein Diagramm, das die Verteilung zeigt, die ohne Anlegung eines
Magnetsfelds erhalten wurde, und Fig. 2 (b) ist ein Diagramm, das die
Verteilung zeigt, die bei Anlegung eines Magnetsfelds erhalten wurde.
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Fig. 3 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation des
spezifischen elektrischen Widerstands in den Querschnittsebenen von
einkristallinen Stäben zeigt, die bei Änderung der Rotationsgeschwindigkelt der
unteren Welle und der Intensität des angelegten Magnetsfelds innerhalb
geeigneter Bereiche bei der Züchtung und Bildung von einkristallinen
Siliziumstäben mit verschiedenen Durchmessern entsprechend dem Verfahren
eines ersten Beispiels für die vorliegende Erfindung erhalten wurden.
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Fig. 4 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation des
spezifischen elektrischen Widerstands in den Querschnittsebenen von
einkristallinen Stäben zeigt, die bei Änderung des Welligkeitsfaktors des
Gleichstroms für die Bildung des angelegten Magnetsfelds bei der Züchtung von
einkristallinen Siliziumstäben mit verschiedenen Durchmessern
entsprechend dem Verfahren eines ersten Beispiels für die vorliegende Erfindung
erhalten wurden.
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Fig. 5 zeigt die Verteilungen der Werte für das Ausmaß A des
spezifischen elektrischen Widerstands, aufgetragen gegen den Abstand vom Zentrum
eines Wafers, der beim Verfahren eines zweiten Beispiels für die
vorliegende Erfindung erhalten wurde; darin ist Fig. 5 (a) ein Diagramm der
Verteilung für den Fall, daß kein Magnetfeld angelegt wird, und Fig. 5
(b) ist ein Diagramm der Verteilung für den Fall, daß ein Magnetfeld
angelegt wird.
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Fig. 6 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation des
spezifischen elektrischen Widerstands in den Querschnittsebenen von
einkristallinen Stäben zeigt, die bei Variation der Rotationsgeschwindigkeit der
unteren Welle und der Intensität des angelegten Magnetsfelds innerhalb
geeigneter Bereiche bei der Züchtung von einkristallinen Siliziumstäben
mit verschiedenen Durchmessern entsprechend dem Verfahren eines zweiten
Beispiels für die vorliegende Erfindung erhalten wurden.
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Fig. 7 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation des
spezifischen elektrischen Widerstands in den Querschnittsebenen von
einkristallinen Stäben zeigt, die bei Änderung des Welligkeitsfaktors des
Gleichstroms für die Bildung des angelegten Magnetsfelds bei der Züchtung und
Bildung von einkristallinen Siliziumstäben mit verschiedenen Durchmessern
entsprechend dem Verfahren eines zweiten Beispiels für die vorliegende
Erfindung erhalten wurden.
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Fig. 8 ist ein Diagramm, das den gesamten Aufbau veranschaulicht,
wobei schematisch eine Vorrichtung zum Züchten von Siliziumeinkristallen,
die bei einem herkömmlichen Verfahren der Züchtung eines einkristallinen
Siliziumstabs angewandt wird, gezeigt ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Das vorliegende Verfahren zur Züchtung eines einkristallinen
Siliziumstabs wird nun mit Bezug auf Beispiele zusammen mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Es ist darauf hinzuweisen, daß der Aufbau, die Abmessungen, die
Materialien, die relativen Positionen und dergleichen der wesentlichen Teile
der Vorrichtungen zum Züchten von Siliziumeinkristallen nach einem FZ-
Prozeß, der in den Beispielen für die vorliegende Erfindung angewandt
wird, sowie die experimentellen Bedingungen, Abmessungen und Materialien
der Proben und dergleichen, die im wesentlichen in den Beispielen
beschrieben werden, die Erfindung nicht darauf beschränken sollen, sofern
nichts anderes angegeben ist, sondern daß sie als erläuternd aufgefaßt
werden sollen.
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Figuren 1 (a) und 1 (b) zeigen schematische Diagramme des gesamten
Aufbaus von Vorrichtungen zum Züchten von einkristallinen Siliziumstäben,
die bei dem Verfahren zum Züchten von einkristallinen Siliziumstäben
unter Anwendung eines FZ-Prozesses gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, wobei in den Vorrichtungen ein polykristalliner Siliziumstab
1 als Rohmaterial, der von oben in eine Kammer 5 gehängt wird, durch eine
Einzelwicklungs-Hochfrequenz-Induktionsheizspule 2 mit einem
Innendurchmesser von 23 mm geschmolzen wird. Nachdem ein Impfkristall 7
angeschmolzen worden ist und eine Versetzung in einem verengten Teil 6 beseitigt
worden ist, kann ein einkristalliner Siliziumstab 3 mit einem
festgelegten Durchmesser gezüchtet und gebildet werden. Bei der Züchtung des
einkristallinen Siliziumstabs 3 wird der polykristalline Siliziumstab 1 als
Rohmaterial durch eine obere Welle 10 rotiert, und der zu züchtende
einkristalline Siliziumstab 3 wird durch eine untere Welle 8 rotiert. Die
Zahl der Rotationen der oberen Welle 10 betrug 0,4 pro Minute, und die
Zahl der Rotationen der unteren Welle 8 betrug 0,5 bis 10 pro Minute. Die
Wellen wurden in der gleichen Richtung rotiert.
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Figuren 1 (a) und 1(b) zeigen den gesamten Aufbau von Beispielen,
wobei in einem der Beispiele eine Wendelspule 9 unterhalb der Hochfrequenz-
Induktionsheizspule 2, der Schmelzzone 4 einer Siliziumschmelze und der
Kristallwachstumsregion angeordnet ist, und wobei im anderen Beispiel
eine Wendelspule 9 oberhalb der Hochfrequenz-Induktionsheizspule 2, der
Schmelzzone 4 einer Siliziumschmelze und der Kristallwachstumsregion
angeordnet ist. Die Wendelspule 9 ist unterhalb oder oberhalb eines äußeren
Wandabschnitts der Kammer 5 angeordnet, wobei der Abstand zwischen der
Wendelspule 9 und dem Zentrum der Hochfrequenz-Induktionsheizspule 2 etwa
175 mm beträgt. Die Achse der Wendelspule 9 ist mit der Achse der
Züchtung in einer Linie ausgerichtet. Die Wendelspule 9 weist einen
Innendurchmesser von 210 mm, einen Außendurchmesser von 500 mm und eine Höhe
von 130 mm auf.
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Die Vorrichtungen zum Züchten von Siliziumeinkristallen mit dem
vorstehenden Aufbau, die bei einem FZ-Prozeß genutzt werden, wurden
verwendet. Die Dotierung wurde durchgeführt, indem Phosphor als Dotiermittel in
die Kammer 5 gegeben wurde, und ein einkristalliner n-Typ-Siliziumstab 3
mit einer Züchtungsorientierung < 111> wurde gezüchtet und gebildet.
Speziell wurden im ersten Beispiel einkristalline Siliziumstäbe 3 mit
Durchmessern von 75 mm, 100 mm bzw. 125 mm verarbeitet.
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Ein elektrischer Gleichstrom mit einem Welligkeitsfaktor von 8 % oder
darunter wurde durch die Wendelspule 9 geleitet, und der gemessene Wert
der magnetischen Intensität im zentralen Bereich der Wachstumsgrenzfläche
wurde im Bereich von 0 bis 0,1 T (1000 Gauß) variiert, während der
Kristall gezüchtet wurde. Die Zahl der Rotationen der oberen Welle 10 wurde
konstant gehalten und betrug 0,4 pro Minute. Die Zahl der Rotationen des
zu züchtenden einkristallinen Siliziumstabs 3 wurde im Bereich von 0,5
bis 10 pro Minute mit der oberen Welle 10 variiert, und der
einkristalline Siliziumstab 3 wurde in der gleichen Richtung rotiert.
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Die einzelnen unter den vorstehenden Bedingungen gezüchteten
einkristallinen Siliziumstäbe 3 wurden aus der Kammer 5 entnommen, und
Silizium-Wafer mit einer Dicke von 300 µm wurden aus Teilen der
einkristallinen Siliziumstäbe 3 in einer vorgegebenen Position mit einer Diamantsäge
ausgeschnitten und als Proben für die Messung des spezifischen
elektrischen Widerstands verwendet.
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Nach Messung der spezifischen elektrische Widerstände R der Silizium-
Wafer, das heißt der Proben, nach dem Vier-Sonden-Meßverfahren wurden die
gemessenen Werte ausgewertet, indem das Ausmaß A der Änderung der
spezifischen elektrischen Widerstände R wie folgt:
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A = [(Rmax - Rmin)/Rave] x 100 (%)
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und das Ausmaß a der Variation der spezifischen elektrischen
Widerstände in der Querschnittsebene wie folgt:
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a = [(Rmax - Rmin)/Rmin] x 100 (%)
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definiert wurden, worin Rave den Mittelwert der spezifischen
elektrischen Widerstände R in der Waferebene bezeichnet, Rmax den maximalen Wert
der gemessenen spezifischen elektrischen Widerstände R bezeichnet und
Rmin den minimalen Wert der gemessenen spezifischen elektrischen
Widerstände R bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt Graphen, die erhalten wurden, indem die gemessenen Werte
des Ausmaßes A der Änderung der spezifischen elektrischen Widerstände R
in der Querschnittsebene des Silizium-Wafers, der nach dem Verfahren des
ersten Beispiels erhalten wurde, gegen den Abstand vom Zentrum des Wafers
aufgetragen wurden; dabei zeigt Fig. 2 (a) den Fall, in dem kein
Magnetfeld an die Schmelzzone, wo der Siliziumeinkristall gezüchtet wurde,
angelegt wurde, und Fig. 2 (b) zeigt den Fall, in dem ein Magnetfeld mit
einer Intensität von 0,025 T (250 Gauß) an die Schmelzzone angelegt
wurde, wobei der Wafer aus einem einkristallinen Siliziumstab
(Kristallorientierung: < 111> ; mit Phosphor dotierter Kristall vom n-Typ) mit einem
Durchmesser von 100 mm ausgeschnitten wurde.
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Aus den gemessenen Werten der Figuren 1 (a) und 1 (b) läßt sich das
Ausmaß a der Variation der spezifischen elektrischen Widerstände R in der
Querschnittsebene zu 22,1 % bzw. 9,7 % bestimmen, und es ist ersichtlich,
daß eine gleichmäßige Verteilung in der Querschnittsebene durch Anlegung
eines Magnetsfelds erzielt werden kann.
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Fig. 3 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation der
spezifischen elektrischen Widerstände R in der Querschnittsebene von Probewafern
mit Durchmessern von 75 mm, 100 mm bzw. 125 mm, die bei dem Verfahren des
ersten Beispiels erhalten wurden, zeigt. Hier wurden die Probewafer bei
Rotation der unteren Welle mit einer Zahl von Rotationen, die innerhalb
eines geeigneten Bereiches variiert wurde, und unter Variation der
Magnetfeldintensität durch einen Gleichstrom mit einem Welligkeitsfaktor
von 3 % im Bereich von 0 bis 0,1 T (1000 Gauß) erhalten.
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Durch Ablesen der niedrigsten möglichen Werte des Ausmaßes a der
Variation der elektrischen Widerstände R in der Querschnittsebene aus der
Tabelle von Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Zahl der Rotationen der
unteren Welle und die Magnetfeldintensität für geeignete Züchtungsbedingungen
1 bis 8 pro Minute bzw. 0,019 T bis 0,06 T (190 bis 600 Gauß) sind.
Vorzugsweise werden die optimalen Bedingungen, um den minimalen Wert des
Ausmaßes a der Variation in der Querschnittsebene zu erhalten, so
gewählt, daß im Fall eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem
Durchmesser von 75 mm die Zahl der Rotationen der unteren Welle 7 pro Minute
beträgt und die anzulegende Magnetfeldintensität 0,05 T (500 Gauß)
beträgt, daß im Fall eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem
Durchmesser von 100 mm die Zahl der Rotationen der unteren Welle 6 pro Minute
beträgt und die anzulegende Magnetfeldintensität 0,025 T (250 Gauß)
beträgt und daß im Fall eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem
Durchmesser von 125 mm die Zahl der Rotationen der unteren Welle 2 pro
Minute beträgt und die anzulegende Magnetfeldintensität 0,022 T (220
Gauß) beträgt.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, nimmt man an, daß der Grund dafür, daß
gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Zahl der Rotationen der unteren
Welle und die anzulegende Magnetfeldintensität verringert werden, wenn
der Durchmesser des Wafers zunimmt, darin besteht, daß die
Zentrifugalkraft, die aus der Rotation der unteren Welle in der Schmelzzone der
Siliziumschmelze resultiert, und die Wirkung, die durch das angelegte
Magnetfeld hervorgerufen wird, sich in einer subtilen Weise ausgleichen,
wobei die ungleichmäßige Verteilung der Dicke der Diffusionsgrenzschicht
verbessert wird.
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Fig. 4 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation der
spezifischen elektrischen Widerstände R in den Querschnittsebenen von
einkristallinen Stäben mit verschiedenen Durchmessern gemäß dem Verfahren des
ersten Beispiels zeigt, die bei Änderung des Welligkeitsfaktors des
Gleichstroms für die Bildung des angelegten Magnetsfelds im Bereich von 3
bis 15 % erhalten wurden. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Bereich des
Welligkeitsfaktors für den zulässigen kleinen Wert des Ausmaßes a der
Variation in der Querschnittsebene 8 % oder weniger ist.
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Das Verfahren eines bevorzugten zweiten Beispiels für den Fall, daß
der Durchmesser des zu züchtenden einkristallinen Siliziumstabs mehr als
etwa 130 mm beträgt, wird nun beschrieben.
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Bei diesem Verfahren des zweiten Beispiels wurde die gleiche
Vorrichtung zum Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs verwendet, wie sie
bei dem Verfahren des ersten Beispiels eingesetzt wurde. Die Wendelspule
9 wurde in entsprechender Weise angeordnet, und die Dotierung erfolgte,
indem Phosphor als Dotiermittel in die Kammer 5 gegeben wurde, und es
wurde ein einkristalliner n-Typ-Siliziumstab 3 mit einem Durchmesser von
150 mm, dessen Züchtungsorientierung < 111> war, gezüchtet und gebildet.
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Hier wurden elektrische Gleichströme mit Welligkeitsfaktoren von 3 %,
8 % bzw. 15 % durch die Wendelspule 9 geleitet, so daß die gemessenen
Werte der magnetischen Intensität im Zentrum der Wachstumsgrenze im
Bereich von 0 bis 0,025 T (250 Gauß) variiert wurden. Die Zahl der
Rotationen der oberen Welle 10 wurde konstant gehalten und betrug 0,4 pro
Minute. Die Zahl der Rotationen des zu züchtenden einkristallinen
Siliziumstabs 3 wurde im Bereich von 0,5 bis 4 pro Minute mit der oberen Welle 10
variiert, und der einkristalline Siliziumstab 3 wurde in der gleichen
Richtung rotiert.
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Fig. 5 zeigt Graphen, die ähnlich wie die Graphen von Fig. 2 durch
Auftragung der Werte des Ausmaßes A der Änderung der spezifischen
elektrischen
Widerstände R bei dem Verfahren des zweiten Beispiels gegen die
Abstände vom Zentrum des Wafers erhalten wurden; dabei erläutert Fig. 5
(a) den Fall, bei dem die Zahl der Rotationen der unteren Welle 2 pro
Minute betrug und kein Magnetfeld angelegt wurde, das heißt, die
Magnetfeldintensität 0 T war, und Fig. 5 (b) erläutert den Fall, bei dem die
Zahl der Rotationen der unteren Welle 2 pro Minute betrug und die
angelegte Magnetfeldintensität 0,0185 T (185 Gauß) betrug.
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Fig. 6 ist eine Tabelle, die das Ausmaß a der Variation der
spezifischen elektrischen Widerstände R in der Querschnittsebene des
einkristallinen Siliziumstabs zeigt, der bei dem Verfahren des zweiten Beispiels
erhalten wurde, wobei die Zahl der Rotationen des einkristallinen
Siliziumstabs im Bereich 0,5 bis 4 pro Minute variiert wurde und die Intensität
des angelegten Magnetsfelds im Bereich von 0 bis 0,025 T (250 Gauß)
variiert wurde. Es ist ersichtlich, daß im Gegensatz zu dem Fall des
einkristallinen Siliziumstabs mit einem Durchmesser von 75 mm bzw. 100 mm, der
in Fig. 3 gezeigt ist, im Fall des einkristallinen Siliziumstabs mit
einem Durchmesser von 150 mm der optimale Bereich verschoben und
verringert ist, das heißt, die Zahl der Rotationen ist von 0,5 auf 5 pro Minute
verändert, und die Magnetfeldintensität ist von 0,018 T auf 0,020 T (von
180 Gauß auf 200 Gauß) verändert.
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Wie ein Fall, bei dem der Durchmesser des einkristallinen
Siliziumstabs 75 mm bis 125 mm oder mehr beträgt, wurde zusätzlich zum
vorstehenden Fall mit einem Durchmesser von 150 mm ein Fall mit einem Durchmesser
von 140 mm ebenfalls untersucht, und es wurde festgestellt, daß der
optimale Bereich der gleiche war.
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Fig. 7 ist eine Tabelle, die den Einfluß des Welligkeitsfaktors des
Gleichstroms für die Anlegung des Magnetsfelds bei dem Verfahren des
zweiten Beispiels auf das Aufmaß a der Variation des spezifischen
elektrischen Widerstands R in der Querschnittsebene zeigt. Obwohl es hier so
scheint, daß der zulässige obere Grenzwert des Welligkeitsfaktors
abnimmt, wenn der Durchmesser des einkristallinen Siliziumstabs zunimmt,
beträgt das Ausmaß a der Variation des spezifischen elektrischen
Widerstands R in der Querschnittsebene etwa 16 % für einen Welligkeitsfaktor
von 8 %, was offensichtlich eine wesentliche Verbesserung im Vergleich
mit dem Fall ist, in dem kein Magnetfeld angelegt wird.
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Ferner zeigt Fig. 1 (a) ein Beispiel einer Vorrichtung zum Züchten
von Siliziumeinkristallen, bei der eine Wendelspule 9 unterhalb der
Schmelzzone einer Siliziumschmelze angeordnet ist, während Fig. 1 (b) ein
Beispiel für eine Vorrichtung zum Züchten von Siliziumeinkristallen
zeigt, bei der eine Wendelspule 9 oberhalb der Schmelzzone einer
Siliziumschmelze angeordnet ist. Bei diesen Vorrichtungen ist, da das
Magnetfeld, das von der Wendelspule 9 erzeugt wird, die Schmelzzone der
Siliziumschmelze und den Kristallwachstumsbereich einschließt, zu erwarten, daß
das Magnetfeld einen Einfluß sowohl auf die Schmelzzone als auch auf den
Kristallwachstumsbereich hat. Ferner können Wendelspulen 9 unterhalb und
oberhalb der Hochfrequenz-Induktionsheizspule im Bereich der äußeren Wand
der Kammer 5 angeordnet werden. In dem Fall, daß die Magnetfelder, die
von den Wendelspulen 9 erzeugt werden, die gleiche Richtung aufweisen,
machen die von ihnen gebildeten Magnetfeldintensitäten jeweils die Hälfte
der Magnetfeldintensität des Falls, bei dem nur eine Wendelspule 9
angeordnet ist, aus, wobei der gleiche Einfluß wie vorstehend sichergestellt
wird, während in dem Fall, daß die Magnetfelder, die von den Wendelspulen
9 erzeugt werden, entgegengesetzte Richtungen aufweisen, der Unterschied
zwischen den Magnetfeldintensitäten ungefähr gleich der
Magnetfeldintensität in dem Fall ist, daß nur eine Wendelspule 9 angeordnet ist, so daß
der gleiche Einfluß wie vorstehend sichergestellt werden kann.
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Wie also ausführlich mit Bezug auf die Verfahren der Beispiele gemäß
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, kann ein Verfahren zum
Züchten eines einkristallinen Siliziumstabs mit einem relativ großen
Durchmesser von 75 mm oder mehr mittels eines FZ-Prozesses bereitgestellt
werden, bei dem die Dotiermittelverteilung in der Querschnittsebene des
einkristallinen Siliziumstabs leicht in einem mikroskopischen Sinn
gleichmäßig gemacht werden kann, und da eine Dotierstufe unter Anwendung
von Bestrahlung mit thermischen Neutronen während der Züchtung mittels
eines FZ-Prozesses nicht benötigt wird, kann der wesentliche Vorteil
erzielt werden, daß ein einkristalliner Siliziumstab zu gewünschten
Herstellungskosten gezüchtet und gebildet werden kann.