DK176944B1 - Ved digilfri zonetrækning fremstillet enkrystal af silicium - Google Patents

Description

DK 176944 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af en enkrystal af silicium, der fremstilles ved digelfri zonetrækning og har en stor diameter.

Trækning af enkrystaller af silicium ved digelfri zonetrækning (floating zone crystal 5 growth, FZ-trækning) er en teknik, der har været kendt længe. Derved opsmeltes en polykrystallinsk forrådsstav efterhånden ved hjælp af en højfrekvensspole, og det smelteflydende materiale omdannes til en enkrystal ved podning med en enkrystallinsk podekrystal og påfølgende genkrystallisation. Grundlaget for denne fremgangsmåde er eksempelvis beskrevet i Tysk Offentliggørelsesskrift nr. 3.007.377.

10

Trods mange års erfaringer med denne teknik har det hidtil ikke været muligt at trække enkrystaller uden forskydninger med en diameter på tydeligt over 150 mm. En hel række vanskeligheder står i vejen for dette mål. Således er forholdsvis høje elektriske effekter nødvendige til opsmeltning af forrådsstaven, hvorfor sandsynligheden for elektri-15 ske overslag ved spolefremføringerne er særlig stor. Sådanne overslag kan bringe den enkrystallinske vækst til ophør og skal derfor undgås. En anden vanskelighed består i at opnå en formstabil vækst af enkrystallen, som giver enkrystallen et så vidt muligt cylinderformet udseende. Det har nemlig vist sig, at vækstfronten ved forsøg på at trække enkrystaller med stor diameter kun alt for let bryder ud i radial retning, hvilket 20 fører til uformelige enkrystaller, der vanskeligt eller slet ikke kan forarbejdes til skiver. Hovedproblemet udgør dog den store tendens til dannelse af forskydninger.

Tysk offentliggørelsesskrift nr. 19.538.020 beskriver en fremgangsmåde til fremstilling af enkrystaller af silicium med en diameter på 200 mm over en længde på mere end 25 200 mm, ved hvilken fast silicium smeltes i en smeltestation og i flydende form tilføres en smeltetop.

Den foreliggende opfindelses opgave er at tilvejebringe en fremgangsmåde til fremstilling af en enkrystal af silicium ved digelfri zonetrækning, som over en bestemt 30 længde har en klart større diameter end 150 mm og i denne længdes område er fri for forskydninger.

Opfindelsens genstand er en fremgangsmåde til fremstilling af en enkrystal af silicium med en diameter på mindst 200 mm over en længde på mindst 200 mm, som i dette 35 længdeområde er forskydningsfri, ved hvilken enkrystallen fremstilles ved digelfri zonetrækning i en recipient, i hvilken en atmosfære af indifferent gas og nitrogen udøver 2 DK 176944 B1 et tryk på 1,5 til 2,2 bar, idet atmosfæren udskiftes kontinuerligt, og der derved opnås mindst 2 ganges udskiftning af recipientens rumfang pr. time, og der anvendes en fladspole med en ydre diameter på mindst 220 mm til opsmeltning af en forrådsstav, og enkrystallen trækkes med en hastighed i et område fra 1,4 til 2,2 mm pr. minut og 5 drejes periodisk med en række drejningsvinkler, og drejningsretningen skifter efter hver drejning med en drejningsvinkel I rækken, hvorved et skifte i drejningsretningen definerer et vendepunkt på enkrystallens omkreds, og der opstår mindst et til bage ven-dende mønster af vendepunkter, ved hvilket vendepunkterne ligger fordelt på rette linier, der er rettet parallelt med z-aksen og er i indbyrdes ensartet afstand.

10

Det har vist sig, at en kombination af væsentlige fremgangsmådeparametre og apparatkendetegn er nødvendig til løsning af opgaven, idet kendte parametre til dels må forblive inden for et snævert specificeret område, og der må tages hensyn til hidtil upåagtede parametre.

15

Medens gasatmosfærens tryk i recipienten hidtil er blevet betragtet som en forholdsvis ukritisk parameter, har det vist sig, at dannelsen af en smeltehals mellem forrådstaven og produktstaven (enkrystallen) sker væsentlig mere stabilt ved tryk i området 1,5 til 2,2 bar (absolut tryk), særlig foretrukket i området 1,5 til 2,0 bar, end ved højere tryk, 20 og der dermed kan sikres en mere stabil smelteflydning til enkrystallen. Lavere tryk synes at være endnu fordelagtigere, men foretrækkes dog ikke inden for den foreliggende opfindelses rammer, fordi risikoen for elektriske overslag tager stærkt til på grund af den høje elektriske effekt, der er nødvendig ved opsmeltning af forrådsstaven.

25

Et andet vigtigt aspekt af opfindelsen angår den kontinuerlige udskiftning af gasatmosfæren før og under enkrystallens vækstfase. Medens enkrystaller med mindre diametre, der tilhører teknikkens standpunkt, også kan trækkes i stillestående gasatmosfære, er dette ikke muligt ved en enkrystal ifølge opfindelsen. Den fra enkrystallen, 30 smeltemassen og forrådsstaven udstrålede varmeeffekt bevirker nemlig, at vand og oxygen desorberes af recipientens vægge som forurenende stoffer, især i nærheden af det smelteftydende område mellem forrådsstaven og enkrystallen. Ved kontakt med smeltemassen opstår siliciumoxid, der sætter sig på den afkølede højfrekvensspole og fortættes til partikler. Opløses en partikel og kommer i smeltemassen, er dannelsen af 35 en forskydning meget sandsynlig. Denne risiko modvirker en kontinuerlig, fortrinsvis oppefra og nedad gennem recipienten sendt gasstrøm, der udskifter gasatmosfæren i t 3 DK 176944 B1 recipienten mindst to gange i timen. Især foretrækkes det at lade gasstrømmen strømme laminart i det mindste i recipientens sidevægges område for at fortynde de forurenende stoffer og drive dem ud af recipienten. Gasstrømmen overtager således en beskyttelsesfunktion for recipientens indre, da de af væggene desorberede stoffer 5 medtages på dannelsesstedet og holdes fjernt fra smeltemassen.

Som atmosfære i recipienten foreslås en blanding af indifferent gas, fortrinsvis en blanding af argon og nitrogen. Den fordelagtige virkning af nitrogenandele i atmosfæ-ren med henblik på undertrykkelse af elektriske overslag og hindring af såkaldte swirl-defekter er allerede nævnt i teknikkens standpunkt. I forbindelse med den foreslåede, 10 kontinuerlige gasstrøm opnås en optimal undertrykkelse af elektriske overslag ved en nitrogenkoncentration på 0,1 til 0,4 rumfangsprocent. Denne nitrogenmængde, der nedsætter overslagssandsynligheden mærkbart, kan på grund den kontinuerlige gasstrøm hæves til dette høje niveau, uden at nitrogenet indbygges i enkrystailen i en koncentration på mere end 2x1013/cm3.

15

Det er endvidere særlig fordelagtigt og derfor også særlig foretrukket, at den af poly-krystallinsk silicium bestående forrådsstav har en diameter på mindst 145 mm, fortrinsvis mindst 150 mm. Ved en større diameter af forrådsstaven bliver afstanden mellem højdefrekvensspolen og forrådsstaven også større. Derved synker den elektriske 20 feltstyrke, og sandsynligheden for elektriske overslag bliver mindre. Har forrådsstaven en diameter på mindre end 145 mm, er forskydningsfri trækning sædvanligvis ikke længere mulig.

Til opsmeltning af forrådsstaven anvendes en fladspole med fremføringsspalte og for-25 trinsvis tre yderligere radiale spalter. Den ydre spolediameter må udgøre mindst 220 mm, især foretrækkes en ydre diameter på 240 til 280 mm. En excentrisk kile, der anbringes på spolen på den over for fremføringsspalten til højfrekvensen liggende side og hen mod enkrystalsiden, gør smeltemassen symmetrisk og modvirker det ensidige tryk, som magnetfeltet udøver på smeltemassen på siden med fremføringsspalten. An-30 vendeisen af en med en sådan kilde forsynet fladspole er derfor ligeledes foretrukken og eksempelvis beskrevet i US-patentskrift nr. 4.851.628. En yderligere forbedring i symmetreringen af smeltemassen opnås fortrinsvis ved, at spolens gennem spolens centrale åbning førende akse og enkrystallens akse er anbragt cirka 2 til 8 mm, især 5 til 7 mm forskudt, idet enkrystallens akse er anbragt forskudt til den side af spolen, der 35 ligger over for fremføringsspalten. Derudover foretrækkes også anvendelsen af en reflektor, der nedsætter varmespændinger i enkrystailen. Reflektorens længde skal væl- 4 DK 176944 B1 ges således, at i det mindste krystallens plastiske område dækkes. En sådan reflektor er eksempelvis beskrevet i det allerede nævnte Tyske Offentliggørelsesskrift nr. 3.007.377.

5 Angivelser med hensyn til trækhastigheder er meget uspecifikke i litteraturen og strækker sig over et bredt område fra 0,5 til 30 mm pr. minut {Proceedings of the 4th International Symposium on High Purity Silicon, s, 19). Det er også kendt, at forskydningshyppigheden tager stærkt til ved lavere trækhastigheder. En nedre grænsehastighed er dog ikke klart defineret og afhænger desuden af enkrystallens diameter På den an-10 den side er det i forbindelse med opfindelsen blevet fastslået, at hyppigheden af elektriske overslag, tendensen til forskydningsdannelse samt optræden af såkaldte krakeleringer (crystal crackings) stiger ved højere trækhastigheder end 2,2 mm pr. minut.

Ved fremstillingen af enkrystallen ifølge opfindelsen må en trækhastighed i området 1,4 til 2,2 mm pr. minut, særlig foretrukket 1,5 til 2 mm pr. minut, derfor overholdes.

15

Det hører endelig også tii teknikkens standpunkt at dreje enkrystallen om sin akse i en retning eller med skiftende drejningsretning under trækningen. Den skiftende drejning skal bevirke en effektiv blanding af smeltemassen og dermed en homogen fordeling af doteringsstoffer (JP-2820027). For at en enkrystal med en diameter på 200 mm skal 20 kunne vokse formstabilt, altså uden udbrud til siden, må den dog underkastes en særlig skiftende drejning. Enkrystallen drejes periodisk med en række drejningsvinkler, og drejningsretningen skifter efter hver drejning med en drejningsvinkel i rækken, hvorved et skifte i omdrejningsretningen definerer et vendepunkt på enkrystallens omkreds, og der opstår mindst et tilbagevendende mønster af vendepunkter, i hvilket vendepunk-25 terne ligger fordelt på rette linier, der er rettet parallelt med z-aksen og har ensartet indbyrdes afstand.

Drejningen af enkrystallen skal forklares nærmere i det følgende ved hjælp af figurer.

30 Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjælp af figurer.

I figur 1 og 2 illustreres rækkefølgen af drejningsvinkler

Figur 3, 4 og 5 viser mønsteret af vendepunkter ifølge den foreliggende opfindelse i 35 polære koordinater.

5 DK 176944 B1

Figur 6 viser vendepunkter, der foretrækkes med hensyn til deres tidsmæssige forekomst og deres stilling, i sporbillede.

I figur 7 illustreres et modstykke til figur 6.

5

Ifølge opfindelsen drejes enkrystallen med en række drejningsvinkler, idet drejnings-retningen skifter efter hver drejning i rækken. Efter at enkrystallen er drejet den sidste drejningsvinkel i rækken, begynder en ny periode, idet enkrystallen atter drejes den første drejningsvinkel i rækken. En række drejningsvinkler omfatter fortrinsvis 2 til 10 10 drejningsvinkler. I figur 1 illustreres den tidsmæssige udvikling for en række på 2 drejningsvinkler ο-, og d2, En sådan række betegnes for nemheds skyld et 2-vinkelskema.

Tilsvarende drejer det sig ved den i figur 2 illustrerede række om et 10-vinkelskema med drejningsvinklerne ai til dio- Ved det i figur 1 viste eksempel drejes enkrystallen først vinklen cii med en omdrejningshastighed Ni med uret. Derpå skifter drejnings-15 retningen, og der følger en drejning på vinklen på a2 med en omdrejningshastighed N2 mod uret og periodisk gentagne drejninger med og a2. Det tidspunkt, på hvilket omdrejningsretningen skifter, betegnes vendepunkt. I løbet af enkrystallens vækst gennemløbes et stort antal vendepunkter.

20 Valget af drejningsvinkel skal ifølge opfindelsen ikke ske tilfældigt, men derimod på en sådan måde, at vendepunkterne danner mindst et tilbagevendende mønster, som fordeler dem homogent på enkrystallens omkreds, idet de ligger på rette linier, der er parallelle med z-aksen. Dette krav kan bedst anskueliggøres ved hjælp af en fremstilling i polære koordinater som i figur 3. Koordinatsystemets radius svarer i den valgte 25 fremstilling til en tidsakse, der repræsenterer krystalvækstens varighed. Krystalvækstens varighed kunne imidlertid i stedet også angives som krystal længde i z-aksens retning. Koordinatsystemets vinkler betegner stillinger på enkrystallens omkreds. Vendepunkter er i illustrationen markeret med bogstaverne R og L, hvor R betyder et skifte i drejningsretning til drejning med uret, og L betyder et skifte i drejningsretningen til 30 drejning mod uret. Vendepunkterne udgør ved de valgte omdrejningshastigheder et rosetformet mønster efter 360 sekunder. Dette mønster opstår eksempelvis ved en drejning, til grund for hvilken der ligger et 2-vinkelskema med drejningsvinkler a, -400° og a2 = 260° og omdrejningstal på NR = 20 opm og NL = -20 opm. Vendepunkterne tigger fordelt på rette linier, der i ens afstande på 20° er rettet mod enkrystallens 35 omkreds i z-retningen. Figur 4 viser situationen efter 720 sekunder. Det kan erkendes, at mønsteret vender tilbage vinkeltro. Det første fuldstændige mønster, der vender til- i 6 DK 176944 B1 bage periodisk og vinkeltro, betegnes som grundmønster (spektralfrekvens). Der kan også overlejres flere mønstre som f. eks. mønsteret i figur 5, der dannes af vendepunkterne R, L, R2 og L2 i et 4-vinkelskema. De rette linier i et mønster har samme indbyrdes afstande, således at et mønsters vendepunkter ligger ensartet fordelt på 5 enkrystallens omkreds.

Det har vist sig særlig fordelagtigt, at vendepunkterne ligger på mindst 4, fortrinsvis 8 til 48 rette linier. Især foretrækkes det også, at antallet af rette linier svarer til et multiplum af antallet af trækkanter. Antallet af trækkanter er givet i forvejen ved krystal-10 strukturens symmetri.

Figur 6 svarer til fremstillingen i figur 3 med den forskel, at vendepunkterne er vist forbundet med spor, og radius kun dækker et tidsrum på 60 sekunder. Denne sporbilled-illustration viser en såkaldt overlappende drift, der foretrækkes, fordi den begunstiger 15 dannelsen af smalle trækkanter og modvirker dannelsen af forskydninger. Ved overlappende drift drejes efter et skifte i drejningsretningen en drejningsvinkel, der udgør η*360'+Δ, hvor n er et naturligt tal, fortrinsvis 1 eller 2, og Δ kan antage en positiv værdi indtil 90°. I sporbilledillustrationen viser dette sig ved, at sporene af tidsmæssigt nabostillede vendepunkter, der betragtes inden for et 90° stort segment, dækker hin-20 anden. Til forskel dertil henvises til figur 7, der repræsenterer en ikke-overiappende drift, der udviser huller.

For at nå en så vidt muligt cylindrisk krystalvækst foretrækkes det endvidere at vælge rækken af drejningsvinkler således, at vendepunkterne allerede ved opbygning af 25 grundmønsteret fordeles så ensartet som muligt på enkrystallens omkreds. Dette gælder især, når tidsmæssigt på hinanden følgende par vendepunkter som vist i figur 6 ligger forskudt over for hinanden.

Når rækken af drejningsvinkler står fast, bør drejningen af enkrystallen styres så prae-30 cist som muligt, for at den ønskede cylinderfomnede vækst af enkrystallen skal indstille sig. Summen af de ved styringen af drejebevægelsen med skiftende drejningsretning gjorte vinkeifejl bør ikke overstige en vinkelfejl på ± 1°.

35 DK 176944 B1 7

Eksempel:

Der blev trukket en enkrystal af silicium med en diameter på 204 mm, som var fri for forskydninger over en længde på mere 200 mm. I en forberedelsesfase indbyggedes 5 en polykrystallinsk forrådsstav med en diameter på 155 mm i en recipient. Ligeledes forberedtes i recipienten en podekrystal, en som fladspolet udformet højfrekvensspole (pancake coil) og en reflektor for enkrystallen. I en pumpefase evakueredes recipienten først og fyldtes derpå med 1,65 bar argon og 0,3 rumfangspracent nitrogen. Derefter ledtes en gasblanding af argon og nitrogen gennem recipienten. Der tilførtes 10 4200 Nl/time (argon) og 13 Nl/time (nitrogen). Under en forvarmningsfase opvarmedes forrådsstaven først på sin nedre endeflade ved hjælp af en forvarmet ring og derefter med højfrekvensspolen. Efter at der havde dannet sig en smeltedråbe på podekrystallen, sattes podekrystallen på forrådsstaven, og trækningen af enkrystallen indledtes, hvorved enkrystallens diameter stadig udvidedes. I begyndelsen af denne konus-15 fase drejedes enkrystallen i en retning. Endnu før trækningen af den cylindriske del af enkrystallen skiftedes til vekseldrejningen ifølge opfindelsen. Trækhastigheden lå under trækningen af den cylindriske del af enkrystallen på 1,8 mm pr. minut. I en afsluttende fase i trækkeprocessen nedsattes enkrystallens diameter til en endekonus, og enkrystallen udtoges af recipienten efter afkøling.

20 25 30 35

Claims (8)

1. Fremgangemåde til fremstilling af en enkrystal af silicium med en diameter på 5 mindst 200 mm over en længde på mindst 200 mm, som i dette længdeområde er forskydningsfri, kendetegnet ved, at enkrystallen fremstilles ved digelfri zonetrækning i en recipient, i hvilken en atmosfære af indifferent gas og nitrogen udøver et tryk på 1,5 til 2,2 bar, idet atmosfæren udskiftes kontinuerligt, og der derved opnås mindst 2 ganges udskiftning af recipientens 10 rumfang pr. time, og der anvendes en fladspole med en ydre diameter på mindst 220 mm til opsmeltning af en forrådsstav, og enkrystallen trækkes med en hastighed i et område fra 1,4 til 2,2 mm pr. minut og drejes periodisk med en række drejningsvinkler, og drejningsretningen skifter efter hver drejning med en drejningsvinkel i rækken, hvorved et skifte i drejningsretningen 15 definerer et vendepunkt på enkrystallens omkreds, og der opstår mindst et tilbagevendende mønster af vendepunkter, ved hvilket vendepunkterne ligger fordelt på rette linier, der er rettet parallelt med z-aksen og er i indbyrdes ensartet afstand.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, ved hvilken der anvendes en forrådsstav med en diameter på mindst 145 mm.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller krav 2, ved hvilken trykket i recipienten udgør 1,5 til 2,0 bar. 25

4. Fremgangsmåde ifølge et at kravene 1 til 3, ved hvilken der opretholdes en laminar gasstrømning langs recipientens vægge.

5. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 4, ved hvilken koncentrationen af 30 nitrogen i recipienten udgør 0,1 til 0,4 rumfangsprocent.

6. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 5, ved hvilken fladspolens ydre diameter udgør 240 til 280 mm.

7. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 6, ved hvilken trækhastigheden udgør 1,4 til 2,2 mm pr. minut. i DK 176944 B1 9

8. Fremgangsmåde ifølge et af kravene 1 til 7, ved hvilken enkrystallen drejes med skiftende drejningsretning, og skiftene i drejningsretningen er fordelt homogent over enkrystallens omkreds og danner et periodisk tilbagevendende 5 mønster. 15 20 25 30