WO2018197378A1 - Verfahren und vorrichtung zum wachsen eines einkristalls - Google Patents

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Alexander Gschwandtner
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Eeplasma Gmbh
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    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32229—Waveguides

Definitions

  • the higher degree of purity of the FZ method compared to the CZ method is due to the fact that the silicon melt has no contact with a crucible, from which components of the crucible material or impurities contained therein in the silicon can be solved.
  • the CZ and FZ methods are crystal growth methods, in both cases the single crystal is prepared from the liquid phase of the silicon.
  • the growth rate of these crystal growth methods for conventional diameters is about one to two millimeters per minute and decreases as the diameter of the single crystal increases.
  • Another known process used to produce single crystal silicon is gas phase epitaxy on single crystal silicon wafers, also referred to in the literature as Chemical Vapor Deposition (CVD). This method also produces crystals of the highest purity comparable to the FZ method.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the disadvantage of this process is the very low growth rate of the single crystal of only up to 10 microns per minute, the low growth rate mainly due to the time-consuming splitting of the chemical compound of the silicon-containing gas on the surface and the inadequate transport of a sufficient amount of gas caused to the surface of the single crystal.
  • the complex CVD method is also used, whereby the silicon is mainly deposited according to the widespread "Siemens process" on electrically heated rods as polysilicon CZ method, the polysilicon thus obtained is then mechanically comminuted, melted in a quartz crucible, and the monocrystal is drawn therefrom by means of a seed crystal
  • a suitably shaped polysilicon rod can be used directly as a starting material for the production of the single crystal are expensive, in particular because an intermediate step is required to first produce polysilicon by the CVD process, from which the single crystal is subsequently produced.
  • the object of the invention is to provide a possibility for producing single crystals of highest purity from process gases without an intermediate step which offers a significant economic advantage over the known methods.
  • This object is achieved by a process for growing a single crystal by treating a process element comprising a crystal-forming constituent in an electromagnetic wave excited plasma and depositing the crystal-forming constituent of the process gas on the single crystal, wherein the process gas, in particular via a first gas inlet, and a Accompanying gas, in particular via a second gas inlet, in such a way be introduced that the associated gas is rotated around the process gas, the process gas is decomposed into its components in the plasma, the decomposed process gas is passed together with the accompanying gas in a process chamber in which the monocrystal is arranged, and the crystal-forming component of the process gas is deposited on the single crystal.
  • the present invention further relates to an apparatus for growing a monocrystal by treating a process gas having a crystalline constituent in an electromagnetic wave excited plasma and depositing the crystalline constituent of the process gas onto the monocrystal, the apparatus being adapted to carry out the method of the invention.
  • the invention further relates to an apparatus for growing a single crystal by treating a process element comprising a crystallizing constituent in an electromagnetic wave excited plasma and depositing the crystallizing constituent of the process gas on the monocrystal, comprising a plasma chamber for decomposing the process gas in the plasma into its constituents a first gas inlet for the process gas and a second gas inlet for an associated gas, wherein the two gas inlets are adapted to introduce the process gas and an accompanying gas into the plasma chamber such that the associated gas rotates around the process gas, and a process chamber, in which the single crystal can be arranged is and in which the decomposed process gas can be introduced together with the associated gas to deposit the crystal-forming component of the process gas on the single crystal.
  • a method can be provided which has sufficient The growth rate of the single crystal and the continuous operation of the associated device over a very long period of time, in contrast to the currently used "Siemens method.”
  • the chemical process must be greatly accelerated over the known CVD method This can be achieved by decomposing a silicon-containing gas in a free-floating plasma, in particular microwave plasma, without any wall contact in order to generate a sufficiently large amount of silicon atoms, in particular completely free of contamination, which are then deposited on the surface of the single crystal, in particular condense or sublimate.
  • the deposition of the silicon should be carried out exclusively on the single crystal, deposits on the inner walls of the device, in particular a lining of the device, be avoided and the monocrystal be protected against abrasions on its periphery.
  • a companion gas which is introduced by a gas inlet in rotation into the device, in particular a lining of the device, which encloses the process gas, and thereby protects the inner surfaces of the device against silicon deposits.
  • a possible silicon deposition on the inner walls of the device, in particular linings, in particular on a gas outlet of the device can be completely prevented.
  • the introduction of a rotating protective gas which surrounds the single crystal at its circumference, can prevent a possible attack of the accompanying gas on the single crystal.
  • high purity single crystals can now be economically produced for the first time from a high-purity silicon-containing gas, which meet the highest requirements of semiconductor and solar technology.
  • the accompanying gas which is not involved in the production process, but which covers the inner walls, in particular the skins, in the plasma chamber and the process chamber. to prevent silicon deposits there.
  • This gas is introduced through the gas inlet, in particular tangentially, into the plasma chamber, in order to generate a rotating flow there, in particular in the direction of the process chamber, so that the silicon atoms liberated in the plasma from the inner walls, in particular the linings, the plasma and process chamber be kept away.
  • the silicon-containing process gas can also be introduced by rotation into the plasma chamber through a further gas inlet, in particular in the center thereof, where it is decomposed into its components by a plasma, in particular a microwave plasma.
  • a plasma chamber for example, a device can be used, as described in German Patent Application DE 10 2013 215 252.
  • the plasma chamber described there uses a double-sided feed of a coherent microwave and thus allows a very large plasma chamber diameter, which is also suitable for large amounts of gas in order to achieve the required deposition rate of the single crystal.
  • this plasma chamber is now sufficient space to split a corresponding amount of process gas with the required microwave power in silicon atoms and also additional space to initiate an accompanying gas through another gas inlet into the plasma chamber rotating so that the inner walls, in particular the linings, the plasma and Process chamber to be protected from unwanted silicon deposition.
  • the process gas split into its components in the plasma now strikes the silicon crystal in the process chamber, or the silicon melt where the silicon atoms sublimate or condense, with the remaining components of the gas being able to flow in the direction of a gas outlet.
  • the accompanying gas or another associated gas introduced into the plasma chamber can additionally be supplied to the process chamber through a further gas inlet, in particular tangentially, in order also to generate a rotating flow there, in particular on the surface of the quartz lining, which also protects this area from silicon deposits ,
  • a protective gas can also be introduced in a rotating manner, which is intended in particular to protect the very hot region of the monocrystal from its circumference from possible attack by the associated gas.
  • an excitation frequency of the microwave of 915 MHz is particularly suitable for generating the plasma, since in this frequency range magnetrons with microwave powers up to 100 KW are available and a plasma chamber diameter up to about 150 mm can be realized in order to large quantities Split process gas and thus produce single crystals up to a diameter of 300 mm.
  • the required amount of process gas is about 200slm / min for a single crystal of 300mm diameter and half the amount for 200mm.
  • the amount of associated gas for the protection of the inner walls, in particular a quartz lining, the device and its cooling can be twice as large if the accompanying gas is admitted both into the plasma chamber and into the process chamber.
  • the pressure range of the process is between 0.1 bar and 10 bar, preferably between 0.5 bar and 5 bar.
  • monosilane As a silicon-containing process gas, monosilane (SiH4) is particularly well suited because it consists only of silicon and hydrogen and is a metastable molecule which decomposes into its constituents at elevated temperature. That in the plasma split monosilane has the property that it comes through a gas phase reaction, especially at elevated pressure, already in the zone between the plasma and the single crystal to a partial chaining of the silicon atoms, which sublime or condense in the sequence on the single crystal or its melt ren, whereby a correspondingly high process gas yield is achieved in order to provide a large growth rate of the single crystal. Furthermore, the hydrogen split off in the plasma from the silicon can only cause an insignificant removal on the melt or on the silicon crystal. In contrast, chlorine-containing silicon compounds such as trichlorosilane (CI3SiH), silicon tetrachloride
  • the stable chlorine-containing silicon compound silicon tetrachloride is particularly well suited as an accompanying gas for protecting the linings of the plasma and process chamber made of quartz from silicon deposits, since they are particularly well suited because of their more than fivefold higher molecular weight than monosilane, the rotating flow in the plasma chamber and the process chamber stabilized and thereby mixing with the process gas is reduced.
  • silicon tetrachloride in combination with hydrogen at elevated temperature can remove silicon from inner walls of the chambers, in particular the surfaces of the quartz liners, or prevent deposition, thus ensuring trouble-free operation of the device over a long period of time.
  • This advantageous property of the accompanying gas silicon tetrachloride is particularly preferred in the critical region of a gas outlet of the device, wherein the hydrogen which is released during the decomposition of the process gas can now develop the desired effect in combination with silicon tetrachloride and protects this region from deposits.
  • the intense ultraviolet radiation (UV radiation) of the plasma chlorine radicals in the accompanying gas produces silicon tetrachloride, which produce a strong etching effect on silicon possibly deposited on quartz linings.
  • the etching effect on silicon on the chamber inner walls, in particular the chamber linings can be increased.
  • the associated gas also serves to cool the inner walls, in particular the quartz linings, the plasma and process chamber, which are heated by radiation from the plasma and the melt on the monocrystal.
  • Silicon tetrachloride which is obtained as a by-product in large quantities in the production of polysilicon, is used very advantageously in the process according to the invention and can be subsequently introduced back into the process loop for silicon production, so that no additional material costs incurred for the associated gas.
  • the process gas monosilane used for the production according to the invention of the silicon monocrystals is also produced industrially in large quantities as starting material for the production of polysilicon in addition to the "Siemens process.”
  • Monosilane is produced by a chemical disproportionation process from trichlorosilane, whereby the accompanying gas silicon tetrachloride in large quantities accrues.
  • the inert gas hydrogen is also a major component in the current production of polysilicon.
  • the three gases, monosilane, silicon tetrachloride and hydrogen can be used, wherein only the silicon of the process gas monosilane is consumed and the hydrogen can be recycled with the unused silicon tetrachloride in the process cycle for further production of monosilane. If one wants to produce a single crystal with a desired dopant concentration, the corresponding doping gas in the required concentration can be added to the process gas.
  • a further advantage of the method according to the invention is that the process step which is very critical in the CZ and FZ process is avoided at the beginning of the process, wherein the monocrystalline starting crystal comes into contact with the respective melt and dislocations are produced in the crystal as a result of a temperature jump. which then have to grow through a thin neck between the starting crystal and the single crystal to be generated.
  • the process according to the invention does not cause any temperature jump on the starting crystal at the beginning of the crystal growth, whereby the described limitations of the CZ and FZ processes are avoided and thereby the diameter of the starting crystal at the beginning of the process can be chosen arbitrarily large, including the diameter of the desired single crystal.
  • the present invention is not limited to the deposition of silicon or the production or growth of silicon single crystals.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can also be used for the production of single crystals from other materials, wherein the process gases containing the respective crystal-forming constituents or substances are likewise treated in a plasma in order to obtain by subsequent deposition of the crystal-forming constituents grow on the respective single crystals the desired single crystals.
  • associated gases introduced, for example, in the space between the process gases and a lining of the device, a Deposition of the crystalline constituents on the lining prevented and thereby a continuous operation of the device are made possible.
  • single crystals of germanium, silicon germanium, silicon carbide, aluminum oxide, aluminum nitride and gallium nitride can also be produced or grown with the method according to the invention and the device according to the invention.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can also be used for the production of polycrystalline or amorphous solids, if, for example, a correspondingly low temperature is used for the condensation or sublimation of the respective crystal-forming substance, or if a correspondingly large amount of substance is deposited in a short time. so that a corresponding polycrystalline or amorphous body can form.
  • the process gas and the accompanying gas can be introduced into the plasma chamber at two mutually different locations, which are offset with respect to the common axis of rotation in their axial position and / or in their polar angular position, in particular on two opposite sides with respect to the common axis of rotation become.
  • an unseparated part of the crystal-forming constituent of the process gas, the associated gas, another accompanying gas and / or an inert gas are discharged out of the process chamber through a gas outlet.
  • Preferred embodiments of the device according to the invention result analogously from the preferred embodiments of the method according to the invention and vice versa, wherein preferred embodiments of the device according to the invention are described below, which correspond to partially identical preferred embodiments of the method according to the invention.
  • the second gas inlet is preferably arranged and / or aligned such that the associated gas is introduced tangentially into the plasma chamber with respect to its axis of rotation, and / or that the accompanying gas is preferred when introducing it against an inner wall of the plasma chamber, in particular an inner wall of a chamber lining of the plasma chamber made of quartz, flows.
  • the first gas inlet is adapted to introduce the process gas into the plasma chamber such that the process gas rotates within the associated gas, wherein the process gas and the accompanying gas rotate about a common axis of rotation, wherein preferably the direction of rotation of the associated gas corresponds to the direction of rotation of the process gas and / or the rotational speed of the process gas does not exceed the rotational speed of the associated gas.
  • the first gas inlet is preferably arranged and / or aligned in such a way that the process gas is introduced tangentially with respect to the common axis of rotation into a pipe socket inserted into the plasma chamber, wherein the process gas preferably flows against the inner wall of the pipe socket inserted into the plasma chamber ,
  • the first gas inlet is arranged and / or aligned such that the process gas is introduced into the plasma chamber along the direction of the axis of rotation of the associated gas.
  • the first gas inlet and the second gas inlet are arranged and / or aligned such that the process gas and the accompanying gas flow in the direction of the process can.
  • the plasma chamber, a pipe socket inserted into the plasma chamber and / or the process chamber is rotationally symmetrical about the axis of rotation of the associated gas, or vice versa.
  • the process gas comprises a silicon-containing gas, and / or the crystal-forming constituent of the process gas is silicon.
  • the silicon-containing gas is preferably monosilane or disilane, to which a doping gas may be admixed.
  • the accompanying gas comprises, in particular, silicon tetrachloride or argon or trichlorosilane or dichlorosilane, the hydrogen chloride or chlorine and optionally additionally hydrogen, i. in addition to the hydrogen chloride or chlorine, may be added.
  • the process chamber has a further gas inlet, which is designed to introduce the accompanying gas or another accompanying gas into the process chamber in such a way that it rotates about the single crystal.
  • the additional gas inlet is preferably arranged and / or aligned in such a way that the accompanying gas introduced into the process chamber is introduced tangentially into the process chamber with respect to its axis of rotation, and / or that the accompanying gas introduced into the process chamber is discharged when introduced against an inner wall of the process chamber, in particular a chamber lining the process chamber, preferably made of quartz, flows.
  • the process can preferably have a further gas inlet which is arranged and / or aligned in such a way that a protective gas is introduced into the process chamber between the monocrystal and the accompanying gas introduced into the process can, in particular rotatingly, wherein the protective gas preferably comprises hydrogen gas or argon , in particular.
  • the direction of rotation of the accompanying gas introduced into the process can and / or of a protective gas introduced into the process can preferably correspond to the direction of rotation of the accompanying gas introduced into the plasmonic can.
  • the Plasnnakannnner and / or the vinkannnner is lined with a chamber mermer, in particular quartz, lined, wherein it is preferred if behind the canner lining a gap is formed, in which a cooling gas, in particular hydrogen, can be introduced.
  • a cooling gas in particular hydrogen
  • the inner diameter of the chamber lining preferably widens in the transition region from the plasma chamber to the process chamber.
  • the chamber lining in the transition region from the plasma chamber to the process chamber is rotationally symmetrical and / or conical.
  • the transition region can be assigned to the plasma chamber and / or the process chamber.
  • the half opening angle of the conical transition region is preferably between 10 degrees and 45 degrees, more preferably between 15 degrees and 20 degrees.
  • the device comprises an adjusting device, which comprises a rotating device, by means of which the monocrystal is rotatable about an axis of rotation, and / or which comprises a displacement device, by which the monocrystal is movable in the axial direction, in particular the progressive deposition of the crystal-forming constituent of the process gas to take account of the single crystal.
  • the axis of rotation of the monocrystal coincides with the axis of rotation of the accompanying gas introduced into the plasma chamber, and / or the direction of rotation of the monocrystal is opposite to the direction of rotation of the accompanying gas introduced into the plasma chamber.
  • the device preferably comprises at least one coil by means of which electromagnetic waves can be inductively coupled into the process chamber in order to heat the monocrystal, in particular in the region of the deposition of the crystal-forming constituent of the process gas.
  • the device is designed so that the crystal-forming constituent of the process gas condenses on a melt of the single crystal, from which the single crystal is formed, and / or sublimated on the single crystal.
  • the plasma chamber comprises at least two, in particular opposing, feed points through which the electromagnetic waves can be fed.
  • the plasma chamber is preferably arranged above the process chamber.
  • the central axis of the plasma chamber and the central axis of the process chamber may coincide, for example, or be arranged at an angle to each other, for example, between 20 ° and 70 °.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a plasma
  • Process device according to a first embodiment
  • 2 shows a schematic representation of a plasma and process device according to the invention according to a second embodiment
  • 3a is a schematic longitudinal section of a tubular lining of the
  • Plasma chamber of Fig. 1 and Fig. 2 with gas inlets according to a first variant
  • Fig. 3b shows a schematic cross section of the tubular lining
  • FIG. 3c shows a schematic cross section of the process chamber from FIG. 1 and FIG.
  • FIG. 4a shows a schematic longitudinal section of a tubular lining of a plasma chamber with gas inlets according to a second variant
  • Fig. 4b is a schematic cross section of the tubular lining
  • Fig. 4a, and Fig. 5 is a schematic representation of a plasma
  • the device comprises a plasma chamber 1 and a process chamber 2, wherein the housings 14, 24 of the plasma chamber 1 and the process chamber 2 are cooled by water.
  • a Ceramic cylinder 13 is inserted, which is additionally lined with a tube 17, preferably a quartz tube, which extends at least over the entire height of the ceramic cylinder 13 and the plasma chamber housing 14, so that an accompanying gas 22 and possible proportions of a process gas 21 with the Keramikzy- 13 and the plasma chamber housing 14 come into contact.
  • the process chamber 2 with an inner lining 27, preferably made of quartz, lined to prevent contact there between the housing 24 with the gases 22 and 21 in order to exclude a possible contamination of the single crystal.
  • the plasma chamber 1 and the process chamber 2 are arranged such that the center axis 35 of the quartz tube 17 and the rotation axis 35 of a silicon single crystal 30 disposed in the process chamber 2 form a line, the plasma chamber 1 being disposed at the top of the process chamber 2 and the silicon single crystal 30 and an associated output crystal 31 made of silicon at the bottom of the process chamber 2 by a rotating device 32 for rotation 29 of the crystals 30, 31 are held, which can be additionally moved in the axial direction.
  • the quartz tube 17 and the process chamber lining 27 are each preferably rotationally symmetrical, in particular around a common axis 35.
  • the process chamber 2 in Fig. 1 is shown greatly shortened in the schematic drawing for reasons of space, in the apparatus according to the invention but usually designed such that a single crystal 30 can be made of great length. If a continuous production of the single crystal 30 is preferred, an apparatus may additionally be installed to remove parts of the single crystal 30 from the device at periodic intervals.
  • a narrow gap may be formed which is filled with a gas, preferably with hydrogen. which serves to cool the quartz parts 17 and 27.
  • the associated gas 22 is introduced through a gas inlet 18 tangentially into the quartz tube 17 and a pipe socket 17i, in order to generate there a rotating flow 19 in the direction of the process chamber 2.
  • the process gas 21 is also introduced tangentially into the pipe socket 17i by a gas inlet 16 in order likewise to generate a rotating flow in the direction of the process chamber 2, wherein the accompanying gas 22 rotates about the process gas 21 and the direction of rotation and rotational speed of the two rotating gases 21 and 22 approximately coincident, so that there is no mixing of the gases in the quartz tube 17.
  • the plasma chamber 1 are electromagnetic waves 1 1, in particular microwaves, supplied from two sides by means of rectangular waveguides 12 in phase in H10 mode, so that they can be overlaid constructively in the center of the plasma chamber 1.
  • the electromagnetic waves 11 of the plasma chamber 1 can also be supplied only from one side, i. one of the opposite openings shown in Fig. 1 for supplying the electromagnetic waves 1 1 is then not present. If a plasma 15 is ignited in the plasma chamber 1 by an ignition device (not shown in FIG.
  • a coaxial TM mode of the electromagnetic waves 1 1 can form in the plasma chamber 1, the coaxial outer conductor passing through the inner surface of the plasma chamber
  • a double-sided feed by means of coherent waves 1 1 is advantageous over a one-sided feed of the microwave, as a substantially larger cross-section of the plasma chamber 1 can be used to the Stabilize plasma 15 over a very large process window in terms of gas flow and fed microwave power.
  • the flow rates of the process gas 21 and the accompanying gas 22 are preferably set such that the plasma 15 is only in the center of the rotating forming flow of the process gas 21 forms.
  • the process gas 21 consists of a silicon-containing chemical compound, preferably of a metastable silane compound such. As monosilane (SiH4) or disilane (Si2H6), although it is stable at room temperature, but easily decomposes into its components at high temperatures.
  • This gas is decomposed in the plasma 15 into its components silicon and hydrogen, and the individual components then flow, partly in the form of electrically charged particles, in the direction of a silicon melt 26 on the single crystal 30, passing through a recombination zone 25 on the way there, wherein the electrically charged particles recombine to form neutral particles, the silicon atoms partially crosslink and hydrogen molecules are formed.
  • the silicon atoms now condense on the silicon melt 26 and the hydrogen leaves the process chamber 2 in the direction of a gas outlet 23.
  • a sufficient length or height of the zone 25 between the plasma 15 and the silicon melt 26 is advantageous, since thereby a high silicon yield of the process gas 21st is achieved.
  • the hydrogen content of the process gas 21 is very advantageous because it particularly increases the electrical conductivity of the plasma 15 and thereby the plasma 15 is stabilized in the center of the plasma chamber 1.
  • the associated gas 22 preferably consists of a stable silicon-containing compound such as silicon tetrachloride (SiCl 4), but may also consist of an inert gas such as argon.
  • the associated gas 22 serves as a barrier gas for enclosing the process gas 21 in the plasma chamber 1 between the plasma zone 15 and the quartz tube 17 and in the process chamber 2 between the spent process gas 21 and the quartz inner lining 27 of the process chamber 2.
  • Silicon tetrachloride is as accompanying gas 22nd Particularly well suited, since its molecular weight is more than five times greater than that of monosilane and thereby the rotating flow in the plasma chamber 1 and in the process chamber 2 is stabilized due to its large centrifugal force, whereby the mixing of the gases 21 and 22 on the way to the gas outlet 23 is reduced.
  • Another advantage is its corrosive property of silicon at elevated temperature in conjunction with hydrogen as it passes over the quartz tube 17 and the quartz lining 27. This prevents unwanted deposition of silicon on the quartz parts 17 and 27.
  • an increase in the etching effect can be achieved by a slight addition of hydrogen chloride or chlorine to the accompanying gas 22.
  • the accompanying gas 22 or another associated gas is also admitted tangentially into an annular gap between the process chamber lining 27 and a pipe socket 27i via a gas inlet 38 into the plasma chamber 2, so that in this area a rotating flow is generated in the direction of the gas outlet 23 to the spent process gas 21 coming from both directions, from above and below, to envelop.
  • a protective gas 41 is additionally admitted through a gas inlet 36 tangentially between the single crystal 30 and the process chamber lining 27 to a possible chemical reaction of silicon tetrachloride with silicon by silicon dichloride formation to prevent.
  • This is done by the inert gas hydrogen, but it can also be used argon.
  • Deposits in the critical region of the gas outlet 23 are prevented only by the fact that the remaining hydrogen from the process gas 21 and the hydrogen from the protective gas 41 in combination with the silicon tetrachloride develop a caustic effect and prevent silicon deposition.
  • the electrical conductivity of the silicon is simultaneously increased so much that by means of radio frequency (RF) via a coil 28, which has two turns in Fig. 1, even more power can be introduced to slowly heat the silicon output crystal 31 further, so that he forms a molten zone 26 in the vicinity of the coil 28 without lattice dislocations arise in the starting crystal.
  • RF radio frequency
  • the concentration of monosilane in the process gas 21 is slowly increased and the hydrogen concentration is correspondingly reduced in order to condense silicon on the surface of the melt 26.
  • the amounts of gas 21 and 22 are now increased so long that a corresponding amount of silicon 26 of the melt can be supplied to achieve the desired crystal growth rate of about 1 to 2 millimeters per minute and the diameter of the starting crystal 31 in a cone shape to increase the desired diameter of the single crystal 30. This process is continued until the desired length of the cylindrical single crystal 30 is reached, and then the diameter of the single crystal 30 is reduced again, so that crystal dislocations are avoided even during the cooling phase.
  • the power required to decompose the gas monosilane is provided by the microwave power, which is fed into the plasma chamber 1 to produce a very hot and highly conductive plasma 15, which is then introduced into the process chamber 2 via a recombination zone 25.
  • the energy required to maintain the melt 26 during the process is provided by the heat of condensation of the silicon atoms split in the plasma 15 and additionally by the inductively injected RF power.
  • the distribution of the melt 26 on the crystal 30 is state of the art in technology and is already used in the so-called FZ process.
  • the distance of the melt 26 to the RF coil 28 and the RF power set, which is the RF coil 28 is supplied, but can also be accomplished according to the invention by dividing the RF coil 28 into two or more separately controlled coils.
  • the direction of rotation 19 of the gases 21, 22 and the direction of rotation 29 of the crystal rod 30 are preferably in opposite directions.
  • the surface temperature of the starting crystal 31 it is also possible in principle for the surface temperature of the starting crystal 31 to be kept just below the melting temperature of the silicon and for the starting crystal to grow to a desired diameter after sublimation of silicon in the hydrogen plasma after purification in the hydrogen plasma, before the Temperature is increased above the melting point and a melt is formed on the output crystal 31 to then further produce the single crystal 30 from the silicon melt 26 according to the method described in FIG.
  • the temperature changes are carried out only so fast that the resulting mechanical stresses do not lead to dislocations in the crystal 30.
  • FIG. 2 a modified, further embodiment of a device according to the invention for growing a silicon monocrystal 30 by treatment of a silicon-containing process gas in a plasma 15 and subsequent deposition of silicon on the single crystal 30 is described, the associated inventive method also predominantly in the field Atmospheric pressure is applied.
  • the device in turn consists of a plasma chamber 1 and a process chamber 2, which, however, are arranged differently from FIG.
  • the embodiment according to FIG. 2 except for the differences described below, at least substantially coincides with the embodiment shown in FIG. In this case, the same or comparable features with the same reference numerals as in Fig. 1 are provided.
  • the central axis of the quartz tube 17 and the axis of rotation 35 of the silicon monocrystal 30 have an angle which is in particular between 20 and 70 degrees.
  • the silicon single crystal 30 is now rotatably mounted on the top of the process chamber 2 and can be moved simultaneously in the axial direction.
  • the inlet of the quartz tube 17 into the process chamber 2 is located in the lower corner region of the process chamber 1.
  • an RF coil 28 is preferably provided, but at least two mutually separately controlled RF coils 28, in particular with at least 2 windings, are provided in order to heat the silicon single crystal 30. For better control of the surface temperature of the single crystal 30, more coils 28 may be provided.
  • the difference between the inventive method according to FIG. 2 and FIG. 1 is that the silicon monocrystal 30 is now heated by the at least one RF coil 28 in a temperature range to just below or directly up to the melting temperature of the silicon and a Sublimation of the silicon takes place directly on the single crystal 30.
  • the plasma chamber 1 according to FIG. 2 is constructed in the same way as the plasma chamber 1 according to FIG. 1 and the gases 21 and 22 are introduced into the quartz tube 17 in the same manner and the plasma 15 is ignited accordingly in order to supply the process gas 21 monosilane into its Components of silicon and hydrogen to decompose, wherein they meet at an angle between 20 and 70 degrees to the rotation axis 35 of the silicon single crystal 30 inclined on its surface.
  • the silicon sublimates directly on the single crystal 30 or condenses on an atomically thin molten layer 26 and the hydrogen is passed to the gas outlet 23.
  • the associated gas 22 envelops the process gas 21 and protects even in the apparatus of FIG. 2, the linings 17, 27 of the plasma and process chamber 1, 2 from unwanted Siliziumabschei- applications to allow continuous operation of the device.
  • the diameter of the single crystal 30 can be increased to the desired nominal dimension from an output crystal 31 at the beginning of the process control in order to produce a cylindrical single crystal 30 in the sequence.
  • the adjustment of the uniformity during the deposition on the single crystal 30 is no longer effected by the distribution of the silicon melt 26 as shown in Fig.
  • FIGS. 3 a and 3 b show a schematic longitudinal section and a schematic cross section of the tubular lining 17 of the plasma chamber 1 of the devices according to the invention from FIGS. 1 and 2 with its gas inlets 16, 18.
  • the quartz tube 17 is closed on one side by a Quarzde- disgust, in the center of the pipe socket 17i is attached in the form of a short quartz tube.
  • the accompanying gas 22 is introduced tangentially via the gas inlet 18 in order then to flow in a rotary manner to the process chamber 2.
  • the length of the quartz tube 17i is chosen so that it protrudes sufficiently far beyond the gas inlet 18 in order to produce a uniform rotating flow in the intermediate space of the quartz tubes 17 and 17i.
  • the process gas 21 is introduced tangentially into the tube 17i via the gas inlet 16 near the cover of the quartz tubes 17 and 17i and likewise generates a rotating flow in the direction of the process chamber 2, where it is enveloped by the accompanying gas 22 at the end of the quartz tube 17i and there together with the associated gas 22 flows to the process chamber 2, without being confused. Mix.
  • the gas inlet 18 of the associated gas 22 should be chosen to be as small as possible in order to produce a large radial component of the flow so that the associated gas 22 with the large specific density on the surface of the quartz tube 17 is well distributed and the light process gas 21 safely in the center rum of the tube 17 can be performed.
  • the diameter of the quartz tube 17i and the size of the gas inlet 16 are dimensioned such that the process gas 21 and the accompanying gas 22 rotate in the same direction and the angular velocity 19 of the gases 21, 22 have no great differences. A higher angular velocity of the associated gas 22 is preferred.
  • FIG. 3c shows a schematic cross-section of the process chamber 2 of the devices according to the invention from FIG. 1 and FIG. 2, each having a gas inlet 36, 38 for an accompanying gas 22 and an inert gas 41.
  • the cross-section shows in the center the single crystal 30 to be produced, further the process chamber housing 24 and the process chamber lining 27 with a tube stub 27i made of quartz, which is fastened with a quartz ring on the chamber lining 27.
  • the associated gas 22 is introduced tangentially into the process chamber 2 via the gas inlet 38 between the lining 27 and the pipe socket 27i and flows in a rotating manner in the direction of the gas outlet 23.
  • the protective gas 41 likewise becomes tangent between the single crystal 30 and the process chamber lining 27 via the gas inlet 36
  • the protective gas 41 hydrogen, but also an inert gas, such as argon can be used.
  • the size of the gas inlets 36 and 38 are to be selected so that the rotational speeds of the protective gas 41 and the accompanying gases 22 from the plasma chamber 1 and the process chamber 2 in the region of the gas outlet 23 approximately match, so that the spent process gas 21, the gas accompanying 22 on both sides well wrapped, in the direction of gas outlet 23 can drain.
  • FIGS. 3a and 3b show a schematic longitudinal section and a schematic cross section of a second variant of the gas inlets of a tubular lining 17 of a plasma chamber 1 of a device according to the invention.
  • the process gas 21 is admitted along the axis of rotation 35 of the tubular lining 17 via the gas inlet 16 into the quartz nozzle 17i.
  • the gas inlet 18 for the accompanying gas 22 is arranged unchanged from the variant in FIGS. 3a and 3b and sets the associated gas 22 into rotation 19, and the accompanying gas flows between the quartz tube 17 and the quartz tube 17i in the direction of the process chamber 2 of the quartz stub 17i, the process gas 21 comes into contact with the rotating accompanying gas 22.
  • the process gas 21 can be slowly set in rotation by internal friction of the two gases 21, 22 at its interface, which can result in turbulence as a result of the different speeds of the gases 21 and 22, the undesired mixing of the two gases 21, 22nd promote. Therefore, the embodiment according to the invention shown in FIGS. 4a and 4b is possible in principle, but the embodiment shown in FIGS. 3a and 3b is preferred. In FIGS. 4a and 4b, the same reference numerals are used for the same or comparable features as in FIGS. 3a and 3b.
  • a modified, further embodiment of a device according to the invention and a method according to the invention for growing a silicon monocrystal 30 by treatment of a silicon-containing process gas 21 in a plasma 15 and subsequent deposition of silicon on a single crystal 30 is described, the associated inventive method also predominantly is applied in the area of atmospheric pressure.
  • the device in turn consists of a plasma chamber 1 and a process chamber 2, which are arranged similarly as in Fig. 1.
  • a process chamber 2 which are arranged similarly as in Fig. 1.
  • the difference between the device according to the invention according to FIG. 5 and FIG. 1 is that no silicon melt 26 is formed on the single crystal 30, which serves for the uniform distribution of the deposited silicon over the cross section of the single crystal 30 during the entire process control and finally the single crystal is formed.
  • the uniform distribution of the silicon over a desired cross-section of the single crystal 30 is achieved, as shown in FIG. 5, by a corresponding guidance of the process gas 21, which is in the space between the single crystal 30 and the accompanying gas 22 along a suitably shaped rotationally symmetrical cone 27a of the process chamber lining 27 is guided to the gas outlet 23.
  • the process gas 21 is shown in the region of the cone 27 a as 21 a, since in the cone region, the deposition of silicon takes place on the single crystal and the process gas at the lower end of the cone 27 a predominantly consists of hydrogen with a small amount of silicon.
  • the angle of the rotationally symmetrical cone 27a to the cone axis (rotation axis 35) is between 10 and 45 degrees, preferably between 15 and 20 degrees.
  • the region of the process chamber lining 27 can also have a rotationally symmetrical shape deviating from the cone.
  • the gas trichlorosilane can be used particularly advantageously, since according to the state of the art it is particularly pure and therefore particularly pure Single crystals can be produced.
  • dichlorosilane is also suitable as an accompanying gas 22, in particular with possible admixture of hydrogen chloride or chlorine and optionally additionally of hydrogen.
  • the single crystal 30 can be rotated and lowered during the process control via the rotary and lowering device 32. However, a rotation of the single crystal 30 is in principle not necessary, since already the accompanying process and protective gas 22, 21, 41 is inserted in a rotating manner.
  • the single crystal 30 is inductively heated in the region of the cone 27a by at least one RF coil 28, wherein the temperature for depositing silicon on the single crystal 30 between 1100 degrees Celsius and the melting temperature of the silicon of 1410 C, preferably between 1300 C and 1410 C. is selected.
  • the inductive heating by one or more RF coils 28 it is also possible that the surface of the single crystal 30 is melted at periodic intervals in the region of the cone 27a of the process chamber 2, then to heal crystal defects by periodic recrystallization of the single crystal may be incorporated into the crystal lattice during the deposition process.
  • the melting period can be between 3 seconds and one minute, preferably between 10 and 30 seconds.
  • a corresponding periodic heating and melting of the single crystal 30 can also be made in the embodiment according to FIG. 2.
  • the plasma and process device according to the invention shown schematically in FIG. 1 can be simplified.
  • the simplification is in particular that no permanent melt is produced on the single crystal 30, which is technologically demanding in order to ensure a uniform distribution of the silicon over the entire single crystal 30, in order then to produce a silicon monocrystal 30 by liquid epitaxy.
  • a uniform deposition of the silicon over the entire cross section of the Ein- can be achieved by a corresponding guidance of the process gas, which is guided in the space between the monocrystal and the accompanying gas along a suitable shaped rotationally symmetrical cone of the process chamber lining to the gas outlet.
  • the heating of the monocrystal to deposition temperature can be generated in the region of the cone of the process chamber by means of inductive heating by one or more RF coils, wherein a deposition temperature is preferably to just below the melting temperature of the silicon.
  • the surface of the single crystal can be melted in the region of the cone of the process chamber at periodic intervals by means of inductive heating by one or more RF coils and then by periodic recrystallization be cooled again to produce again by liquid epitaxy a faultless silicon single crystal.
  • the melt can additionally be distributed in order to produce as uniform a cross section as possible over the entire length of the single crystal.
  • the accompanying gases silicon tetrachloride, argon, trichlorosilane or dichlorosilane, in particular with the addition of hydrogen chloride or chlorine and optionally additionally hydrogen, can be used, the gas trichlorosilane can be used particularly advantageously, since it according to the prior art particularly pure for Is available and thus particularly pure single crystals can be produced.
  • the invention relates to an apparatus and a method for growing a single crystal by treating a process gas having a crystalline constituent in a plasma excited by electromagnetic waves and subsequent deposition, in particular condensation or sublimation, of the crystal-forming constituent of the process gas on the monocrystal, wherein a process gas is passed together with a rotating, surrounding the process gas accompanying gas in a plasma chamber, the process gas is decomposed into its components in the plasma and the crystal-forming constituent of the process gas is deposited in the process chamber on the single crystal, in particular condensed or sublimated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wachsen eines Einkristalls durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall, bei dem das Prozessgas über einen ersten Gaseinlass und ein Begleitgas über einen zweiten Gaseinlass derart in eine Plasmakammer eingeleitet werden, dass das Begleitgas um das Prozessgas rotiert, das Prozessgas in dem Plasma in seine Bestandteile zerlegt wird, das zerlegte Prozessgas gemeinsam mit dem Begleitgas in eine Prozesskammer, in der der Einkristall angeordnet ist, geleitet wird, und der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases auf dem Einkristall abgeschieden wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Wachsen eines Einkristalls
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Einkristallen sind seit Jahrzehnten als Stand der Technik bekannt und für die unterschiedlichsten Materialien im Einsatz. Es sind zum Beispiel zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium das Czochralski- (CZ) und das Floating-Zone-Verfahren (FZ) die gebräuchlichsten Methoden, wobei mit dem CZ-Verfahren gegenwärtig der Großteil der Einkristalle für die Halbleitertechnologie und für monokristalline Solarzellen hergestellt wird. Mit dem FZ-Verfahren werden Einkristalle mit höherer Reinheit hinsichtlich Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentration sowie geringerer Verunreinigung durch Metallkontamination hergestellt als mit dem CZ-Verfahren. Diese reineren Einkristalle gewinnen in der Halbleitertechnologie für Leistungsbauelemente und für hocheffizi- ente Solarzellen rasch an Bedeutung. Der höhere Reinheitsgrad des FZ- Verfahrens gegenüber dem CZ-Verfahren hat seine Ursache darin, dass die Siliziumschmelze keinen Kontakt mit einem Schmelztiegel aufweist, woraus Bestandteile des Tiegelmaterials oder darin enthaltene Verunreinigungen im Silizium gelöst werden können. Das CZ- und das FZ-Verfahren sind Kristallzuchtmethoden, wobei in beiden Fällen der Einkristall aus der Flüssigphase des Siliziums hergestellt wird. Die Wachstumsrate dieser Kristallzuchtmethoden beträgt für gebräuchliche Durchmesser etwa ein bis zwei Millimeter pro Minute und nimmt mit zunehmendem Durchmesser des Einkristalls ab. Ein weiteres bekanntes Verfahren, das zur Herstellung von einkristallinem Silizium verwendet wird, ist die Gasphasenepitaxie auf einkristallinen Siliziumscheiben, in der Literatur auch Chemical Vapour Deposition (CVD) genannt. Mit dieser Methode werden auch Kristalle mit höchster Reinheit hergestellt, vergleichbar mit dem FZ-Verfahren. Der Nachteil dieses Verfahrens ist aber die sehr geringe Wachs- tumsrate des Einkristalls von nur bis zu 10 Mikrometer pro Minute, wobei die geringe Wachstumsrate hauptsächlich durch die zeitraubende Aufspaltung der chemischen Verbindung des siliziumhaltigen Gases auf der Oberfläche und vom un- zureichenden Transport einer ausreichenden Gasmenge an die Oberfläche des Einkristalls verursacht werden.
Zur Herstellung des Ausgangsmaterials für das CZ- und FZ-Verfahren kommt ebenfalls die aufwendige CVD-Methode zum Einsatz, wobei das Silizium haupt- sächlich nach dem weit verbreiteten„Siemensverfahren" an elektrisch beheizten Stäben als Polysilizium abgeschieden wird. Zur Herstellung des Einkristalls nach dem CZ-Verfahren wird dann das so gewonnene Polysilizium mechanisch zerkleinert, in einem Quarztiegel eingeschmolzen und daraus der Einkristall mit Hilfe eines Impfkristalls gezogen. Für das FZ-Verfahren kann ein geeignet geformter Po- lysiliziumstab direkt als Ausgangsmaterial zur Herstellung des Einkristalls verwendet werden. Beide Verfahren sind kostspielig, insbesondere weil ein Zwischenschritt erforderlich ist, um zuerst mit dem CVD-Verfahren Polysilizium zu erzeugen, aus dem anschließend der Einkristall hergestellt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Herstellung von Einkristallen mit höchster Reinheit aus Prozessgasen ohne Zwischenschritt bereitzustellen, welche wirtschaftlich einen signifikanten Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren bietet. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Wachsen eines Einkristalls durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall gelöst, bei dem das Prozessgas, insbesondere über einen ersten Gaseinlass, und ein Be- gleitgas, insbesondere über einen zweiten Gaseinlass, derart in eine Pias- makammer eingeleitet werden, dass das Begleitgas um das Prozessgas rotiert, das Prozessgas in dem Plasma in seine Bestandteile zerlegt wird, das zerlegte Prozessgas gemeinsam mit dem Begleitgas in eine Prozesskammer, in der der Einkristall angeordnet ist, geleitet wird, und der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases auf dem Einkristall abgeschieden wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Wachsen eines Einkristalls durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Wachsen eines Einkristalls durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall, umfassend eine Plasmakammer zur Zerlegung des Prozessgases in dem Plasma in seine Bestandteile mit einem ersten Gaseinlass für das Prozessgas und einem zweiten Gaseinlass für ein Begleitgas, wobei die beiden Gaseinlässe dazu ausgebildet sind, das Prozessgas und ein Begleitgas derart in die Plasmakammer einzuleiten, dass das Begleitgas um das Prozessgas rotiert, und eine Prozesskammer, in der der Einkristall anordenbar ist und in die das zerlegte Prozessgas gemeinsam mit dem Begleitgas einleitbar ist, um den kristallbildenden Bestandteil des Prozessgases auf dem Einkristall abzuscheiden.
Dabei kann auf derzeit verwendete chemische Ausgangssubstanzen zurückgegriffen werden, die gegenwärtig im industriellen Maßstab bei der Herstellung von reinstem Polysilizium für die Halbleiter- und Solartechnologie verwendet werden. Erfindungsgemäß kann ein Verfahren bereitgestellt werden, das eine ausreichen- de Wachstumsrate des Einkristalls aufweist und einen kontinuierlichen Betrieb der zugehörigen Vorrichtung über einen sehr langen Zeitraum erlaubt, im Gegensatz zu dem derzeit gebräuchlichen„Siemensverfahren". Um eine ausreichende Wachstumsrate des Einkristalls bereitzustellen, muss der chemische Prozess gegenüber dem bekannten CVD Verfahren sehr stark beschleunigt werden. Das kann durch die Zerlegung eines siliziumhaltigen Gases in einem frei schwebenden Plasma, insbesondere Mikrowellenplasma, ohne jeglichen Wandkontakt erfolgen, um eine genügend große Menge Siliziumatome, ins- besondere völlig kontaminationsfrei, zu erzeugen, die dann auf der Oberfläche des Einkristalls abgeschieden werden, insbesondere kondensieren oder sublimieren.
Um einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung zu bewerkstelligen, sollte die Abscheidung des Siliziums ausschließlich am Einkristall erfolgen, Abscheidungen auf den Innenwänden der Vorrichtung, insbesondere einer Auskleidung der Vorrichtung, vermieden werden und der Einkristall vor Abätzungen an seinem Umfang geschützt werden. Das wird durch die Einführung eines Begleitgases gewährleistet, das durch einen Gaseinlass rotierend in die Vorrichtung, insbesondere eine Auskleidung der Vorrichtung, eingelassen wird, das Prozessgas umhüllt, und dadurch die Innenflächen der Vorrichtung gegen Siliziumabscheidungen schützt. Durch eine zusätzliche ätzende Eigenschaft des Begleitgases kann eine mögliche Siliziumabscheidung auf den Innenwänden der Vorrichtung, insbesondere Auskleidungen, insbesondere an einem Gasauslass der Vorrichtung, vollständig unterbunden werden. Weiter kann durch die Einführung eines rotierenden Schutzga- ses, das den Einkristall an seinem Umfang umhüllt, ein möglicher Angriff des Begleitgases auf den Einkristall unterbunden werden.
Mit der vorliegenden Erfindung können nun erstmals aus einem hochreinen siliziumhaltigen Gas hochreine Einkristalle wirtschaftlich hergestellt werden, die den höchsten Anforderungen der Halbleiter- und Solartechnologie genügen. Um eine Abscheidung von Silizium möglichst nur auf dem Einkristall oder seiner Schmelze zu beschränken, wird das Begleitgas verwendet, das nicht am Herstel- lungsprozess beteiligt ist, das jedoch die Innenwände, insbesondere die Ausklei- düngen, in der Plasma- und der Prozesskammer bedeckt, um dort Siliziumab- scheidungen zu verhindern. Dieses Gas wird durch den Gaseinlass, insbesondere tangential, in die Plasmakammer eingelassen, um dort eine rotierende Strömung, insbesondere in Richtung Prozesskammer, zu erzeugen, damit die im Plasma freigesetzten Siliziumatome von den Innenwänden, insbesondere den Auskleidun- gen, der Plasma- und Prozesskammer ferngehalten werden. Das siliziumhaltige Prozessgas kann durch einen weiteren Gaseinlass ebenfalls rotierend in die Plasmakammer eingelassen werden, insbesondere in deren Zentrum, und dort durch ein Plasma, insbesondere ein Mikrowellenplasma, in seine Bestandteile zerlegt werden.
Als Plasmakammer kann beispielsweise eine Vorrichtung verwendet werden, wie sie in der Deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 215 252 beschrieben ist. Die dort beschriebene Plasmakammer verwendet eine doppelseitige Einspeisung einer kohärenten Mikrowelle und ermöglicht dadurch einen sehr großer Durchmes- ser der Plasmakammer, der auch für große Gasmengen geeignet ist, um die erforderliche Abscheiderate des Einkristalls zu erzielen. In dieser Plasmakammer ist nun ausreichend Platz, um eine entsprechende Menge Prozessgas mit der erforderlichen Mikrowellenleistung in Siliziumatome aufzuspalten und zusätzlich noch Platz, um ein Begleitgas durch einen weiteren Gaseinlass in die Plasmakammer rotierend einzuleiten, damit die Innenwände, insbesondere die Auskleidungen, der Plasma- und Prozesskammer vor unerwünschter Siliziumabscheidung geschützt werden. Das im Plasma in seine Bestandteile aufgespaltene Prozessgas trifft nun in der Prozesskammer auf den Siliziumkristall, beziehungsweise auf die Siliziumschmelze, wo die Siliziumatome sublimieren bzw. kondensieren, wobei die restli- chen Bestandteile des Gases in Richtung eines Gasauslasses strömen können. Das in die Plasmakammer eingeleitete Begleitgas oder ein anderes Begleitgas kann zusätzlich noch durch einen weiteren Gaseinlass, insbesondere tangential, der Prozesskammer zugeführt werden, um auch dort eine rotierende Strömung, insbesondere auf der Oberfläche der Quarzauskleidung, zu erzeugen, die auch diesen Bereich vor Siliziumabscheidungen schützt. Weiter kann im Zwischenraum zwischen dem Einkristall und dem Begleitgas noch ein Schutzgas ebenfalls rotierend eingelassen werden, das insbesondere den sehr heißen Bereich des Einkristalls an seinem Umfang vor einem möglichen Angriff durch das Begleitgas schützen soll.
Entsprechend dem derzeitigen Stand der Technik ist zur Erzeugung des Plasmas eine Anregungsfrequenz der Mikrowelle von 915 MHz besonders geeignet, da in diesem Frequenzbereich Magnetrons mit Mikrowellenleistungen bis zu 100 KW zur Verfügung stehen und ein Plasmakammerdurchmesser bis ungefähr 150 mm realisiert werden kann, um große Mengen an Prozessgas aufzuspalten und damit Einkristalle bis zu einem Durchmesser von 300 mm herzustellen. Die erforderliche Menge an Prozessgas beträgt für einen Einkristall mit 300 mm Durchmesser etwa 200slm/min und für 200 mm die halbe Menge. Die Menge an Begleitgas zum Schutz der Innenwände, insbesondere einer Quarzauskleidung, der Vorrichtung und deren Kühlung kann doppelt so groß sein, wenn das Begleitgas sowohl in die Plasmakammer als auch in die Prozesskammer eingelassen wird. Bei einer Mik- rowellenfrequenz von 2,45 GHz sind nur Leistungen bis 15 KW Stand der Technik und der Durchmesser der Plasmakammer ist um den Faktor 2.7 kleiner, so dass damit nur Kristalldurchmesser bis höchstens 100 mm realisiert werden können. Der Druckbereich des Verfahrens liegt zwischen 0,1 bar und 10 bar, bevorzugt zwischen 0,5 bar und 5 bar.
Als siliziumhaltiges Prozessgas ist Monosilan (SiH4) besonders gut geeignet, da es nur aus Silizium und Wasserstoff besteht und ein metastabiles Molekül dar- stellt, das bei erhöhter Temperatur in seine Bestandteile zerfällt. Das im Plasma aufgespaltene Monosilan hat die Eigenschaft, dass es durch eine Gasphasenreaktion, insbesondere bei erhöhtem Druck, bereits in der Zone zwischen dem Plasma und dem Einkristall zu einer teilweisen Verkettung der Siliziumatome kommt, die in der Folge auf dem Einkristall oder seiner Schmelze sublimieren bzw. kondensie- ren, wodurch eine entsprechend hohe Prozessgasausbeute erzielt wird, um eine große Wachstumsrate des Einkristalls bereitzustellen. Weiter kann der im Plasma vom Silizium abgespaltene Wasserstoff nur einen unwesentlichen Abtrag auf der Schmelze, beziehungsweise am Siliziumkristall verursachen. Dagegen sind chlorhaltige Siliziumverbindungen wie Trichlorsilan (CI3SiH), Siliziumtetrachlorid
(SiCI4), etc. als Prozessgase zwar grundsätzlich ebenfalls möglich, aber weniger gut geeignet, auch wenn sie mit Wasserstoff verdünnt werden, da während der Sublimation bzw. Kondensation des Siliziums gleichzeitig ein erheblicher Abtrag durch Neubildung von chlorhaltigen Siliziumverbindungen erfolgen kann und dadurch die resultierende Menge Silizium am Kristall verringert wird.
Dagegen ist die stabile chlorhaltige Siliziumverbindung Siliziumtetrachlorid als Begleitgas zum Schutz der Auskleidungen der Plasma- und Prozesskammer aus Quarz vor Siliziumabscheidungen besonders gut geeignet, da sie wegen ihres mehr als fünffach höheren Molekulargewichts als Monosilan die rotierende Strö- mung in der Plasmakammer und der Prozesskammer besonders gut stabilisiert und dadurch eine Durchmischung mit dem Prozessgas verringert wird. Außerdem kann Siliziumtetrachlorid in Verbindung mit Wasserstoff bei erhöhter Temperatur Silizium von Innenwänden der Kammern, insbesondere den Oberflächen der Quarzauskleidungen, entfernen, beziehungsweise eine Abscheidung unterbinden und so einen störungsfreien Betrieb der Vorrichtung über einen langen Zeitraum gewährleisten. Diese vorteilhafte Eigenschaft des Begleitgases Siliziumtetrachlorid ist dabei gerade im kritischen Bereich eines Gasauslasses der Vorrichtung bevorzugt, wobei der Wasserstoff, der bei der Aufspaltung des Prozessgases freigesetzt wird, nun in Kombination mit Siliziumtetrachlorid die gewünschte Wirkung entfalten kann und diesen Bereich vor Abscheidungen schützt. Insbesondere werden durch die intensive Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung) des Plasmas Chlorradikale im Begleitgas Siliziumtetrachlorid erzeugt, die eine starke Ätzwirkung auf eventuell an auf Quarzauskleidungen abgeschiedenes Silizium erzeugen. Durch Beimengung von Chlorwasserstoff zum Begleitgas kann die Ätzwirkung auf Silizium an den Kammerinnenwänden, insbesondere den Kammerauskleidungen, noch erhöht werden. Zusätzlich dient das Begleitgas auch zur Kühlung der Innenwände, insbesondere der Quarzauskleidungen, der Plasma- und Prozesskammer, die durch Strahlung aus dem Plasma und der Schmelze am Einkristall aufgeheizt werden. Siliziumtetrachlorid, das bei der Herstellung von Polysilizium als Nebenprodukt in großen Mengen anfällt, kommt im erfindungsgemäßen Verfahren sehr vorteilhaft zur Anwendung und kann hinterher wieder in den Prozesskreislauf zur Siliziumherstellung eingeschleust werden, sodass keine zusätzlichen Material kosten für das Begleitgas anfallen.
Das für die erfindungsgemäße Herstellung der Siliziumeinkristalle verwendete Prozessgas Monosilan wird neben dem„Siemensverfahren" ebenfalls industriell in großen Mengen als Ausgangsprodukt für die Herstellung von Polysilizium erzeugt. Monosilan wird durch einen chemischen Disproportionierungsprozess aus Trich- lorsilan hergestellt, wobei auch das Begleitgas Siliziumtetrachlorid in großen Mengen anfällt.
Das Schutzgas Wasserstoff ist ebenso ein Hauptbestandteil in der gegenwärtigen Produktion von Polysilizium.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können die drei Gase, Monosilan, Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff zur Anwendung kommen, wobei nur das Silizium des Prozessgases Monosilan verbraucht wird und der Wasserstoff mit dem unverbrauchten Siliziumtetrachlorid in den Prozesskreislauf zur weiteren Herstellung von Monosilan zurückgeführt werden kann. Will man einen Einkristall mit einer gewünschten Dotierstoffkonzentration herstellen, kann das entsprechende Dotiergas in der erforderlichen Konzentration dem Prozessgas beigefügt werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der beim CZ- und FZ-Verfahren sehr kritische Prozessschritt am Beginn des Verfahrens vermieden wird, wobei der einkristalline Ausgangskristall mit der jeweiligen Schmelze in Kontakt kommt und in Folge eines Temperatursprungs Versetzungen im Kristall erzeugt werden, die dann durch einen dünnen Hals zwischen dem Ausgangskristall und dem zu erzeugenden Einkristall auswachsen müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren verursacht keinen Temperatursprung am Ausgangskristall zu Beginn des Kristallwachstums, wodurch die beschriebenen Ein- schränkungen der CZ- und FZ-Verfahren vermieden werden und dadurch auch der Durchmesser des Ausgangskristalls zu Beginn des Verfahrens beliebig groß gewählt werden kann, einschließlich des Durchmessers des gewünschten Einkristalls. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Abscheidung von Silizium bzw. die Herstellung bzw. das Wachsen von Siliziumeinkristallen beschränkt. Grundsätzlich können das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Herstellung von Einkristallen aus anderen Materialien angewendet werden, wobei die Prozessgase, die die jeweiligen kristallbildenden Bestand- teile bzw. Substanzen enthalten, ebenfalls in einem Plasma behandelt werden, um durch nachfolgende Abscheidung der kristallbildenden Bestandteile auf den jeweiligen Einkristallen die gewünschten Einkristalle zu wachsen. Ebenso kann durch Verwendung von Begleitgasen, die beispielsweise im Zwischenraum zwischen den Prozessgasen und einer Auskleidung der Vorrichtung eingeführt werden, eine Abscheidung der kristallbildenden Bestandteile auf der Auskleidung unterbunden und dadurch ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung ermöglicht werden.
Beispielsweise können mit dem erfindungsgemäße Verfahren und der erfindungs- gemäßen Vorrichtung auch Einkristalle aus Germanium, Silizium-Germanium, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Galliumnitrid hergestellt bzw. gewachsen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch zur Herstellung von polykristallinen oder amorphen Festkörpern verwendet werden, wenn zum Beispiel eine entsprechend niedrige Temperatur zur Kondensation bzw. Sublimation der jeweiligen kristallbildenden Substanz angewendet wird, oder in kurzer Zeit eine entsprechend große Menge Substanz abgeschieden wird, damit sich ein entsprechender polykristalliner oder amorpher Körper ausbil- den kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung beschrieben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können das Prozessgas und das Begleitgas an zwei voneinander verschiedenen Stellen, die bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse in ihrer axialen Lage und/oder in ihrer polaren Winkellage zueinander versetzt sind, insbesondere an zwei bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse gegenüberliegenden Seiten, in die Plasmakammer eingeleitet werden.
Insbesondere wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein nicht abgeschiedener Teil des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases, das Begleitgas, ein anderes Begleitgas und/oder ein Schutzgas durch einen Gasauslass aus der Prozesskammer ausgeleitet. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich in analoger Weise aus den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt, wobei nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben werden, die teilweise iden- tisch bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen.
Bevorzugt ist der zweite Gaseinlass derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das Begleitgas bezüglich seiner Rotationsachse tangential in die Plas- makammer eingeleitet wird, und/oder dass das Begleitgas beim Einleiten gegen eine Innenwand der Plasmakammer, insbesondere eine Innenwand einer Kammerauskleidung der Plasmakammer, bevorzugt aus Quarz, strömt.
Bevorzugt ist der erste Gaseinlass dazu ausgebildet, das Prozessgas derart in die Plasmakammer einzuleiten, dass das Prozessgas innerhalb des Begleitgases rotiert, wobei das Prozessgas und das Begleitgas um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren, wobei vorzugsweise die Drehrichtung des Begleitgases der Drehrichtung des Prozessgases entspricht und/oder die Drehgeschwindigkeit des Prozessgases die Drehgeschwindigkeit des Begleitgases nicht überschreitet.
Bevorzugt ist der erste Gaseinlass derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das Prozessgas bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse tangential in einen, insbesondere zentral, in die Plasmakammer eingesetzten Rohrstutzen eingeleitet wird, wobei vorzugsweise das Prozessgas beim Einleiten gegen die Innenwand des in die Plasmakammer eingesetzten Rohrstutzens strömt.
Alternativ oder zusätzlich ist der erste Gaseinlass derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das Prozessgas längs der Richtung der Rotationsachse des Begleitgases in die Plasmakammer eingeleitet wird. Bevorzugt sind der erste Gaseinlass und der zweite Gaseinlass derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das Prozessgas und das Begleitgas in Richtung der Prozesskannnner strömen. Bevorzugt ist die Plasmakammer, ein in die Plasmakammer eingesetzter Rohrstutzen und/oder die Prozesskammer rotationssymmetrisch um die Rotationsachse des Begleitgases ausgebildet, oder umgekehrt.
Bevorzugt umfasst, insbesondere ist, das Prozessgas ein siliziumhaltiges Gas, und/oder ist der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases Silizium. Bevorzugt ist das siliziumhaltige Gas Monosilan oder Disilan, dem ein Dotiergas beigemengt sein kann.
Bevorzugt umfasst, insbesondere ist, das Begleitgas Siliziumtetrachlorid oder Ar- gon oder Trichlorsilan oder Dichlorsilan, dem Chlorwasserstoff oder Chlor und optional zusätzlich Wasserstoff, d.h. zusätzlich zu dem Chlorwasserstoff oder dem Chlor, beigemengt sein kann.
Bevorzugt weist die Prozesskammer einen weiteren Gaseinlass auf, der dazu ausgebildet ist, das Begleitgas oder ein anderes Begleitgas derart in die Prozesskammer einzuleiten, dass es um den Einkristall rotiert.
Bevorzugt ist der weitere Gaseinlass derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das in die Prozesskammer eingeleitete Begleitgas bezüglich seiner Rotati- onsachse tangential in die Prozesskammer eingeleitet wird, und/oder dass das in die Prozesskammer eingeleitete Begleitgas beim Einleiten gegen eine Innenwand der Prozesskammer, insbesondere einer Kammerauskleidung der Prozesskammer, bevorzugt aus Quarz, strömt. Bevorzugt weist die Prozesskannnner einen weiteren Gaseinlass auf, der derart angeordnet und/oder ausgerichtet, dass ein Schutzgas zwischen den Einkristall und das in die Prozesskannnner eingeleitete Begleitgas, insbesondere rotierend, in die Prozesskannnner eingeleitet wird, wobei vorzugsweise das Schutzgas Wasser- stoffgas oder Argon umfasst, insbesondere ist.
Bevorzugt entspricht die Drehrichtung des in die Prozesskannnner eingeleiteten Begleitgases und/oder eines in den die Prozesskannnner eingeleiteten Schutzgases der Drehrichtung des in die Plasnnakannnner eingeleiteten Begleitgases.
Bevorzugt ist die Plasnnakannnner und/oder die Prozesskannnner mit einer Kam- merauskleidung, insbesondere aus Quarz, ausgekleidet, wobei es bevorzugt ist, wenn hinter der Kannnnerauskleidung ein Spalt ausgebildet ist, in den ein Kühlgas, insbesondere Wasserstoff, einleitbar ist.
Bevorzugt erweitert sich der innere Durchmesser der Kammerauskleidung im Übergangsbereich von der Plasmakammer zu der Prozesskammer. Insbesondere ist die Kammerauskleidung im Übergangsbereich von der Plasmakammer zu der Prozesskammer rotationssymmetrisch und/oder konisch ausgebildet. Der Über- gangsbereich kann der Plasmakammer und/oder der Prozesskammer zugeordnet sein. Der halbe Öffnungswinkel des konischen Übergangsbereichs beträgt bevorzugt zwischen 10 Grad und 45 Grad, besonders bevorzugt zwischen 15 Grad und 20 Grad. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Versteileinrichtung, die eine Dreheinrichtung umfasst, durch die der Einkristall um eine Drehachse drehbar ist, und/oder die eine Verfahreinrichtung umfasst, durch die der Einkristall in axialer Richtung bewegbar ist, insbesondere um der fortschreitenden Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall Rechnung zu tragen. Bevorzugt fällt die Drehachse des Einkristalls mit der Rotationsachse des in die Plasmakammer eingeleiteten Begleitgases zusammen, und/oder ist die Drehrichtung des Einkristalls der Drehrichtung des in die Plasmakammer eingeleiteten Begleitgases entgegengerichtet.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Spule, durch die elektromagnetische Wellen induktiv in die Prozesskammer einkoppelbar sind, um den Einkristall, insbesondere im Bereich der Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases, zu erhitzen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu ausgebildet, dass der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases auf einer Schmelze des Einkristalls kondensiert, aus der der Einkristall gebildet wird, und/oder auf dem Einkristall sublimiert. Bevorzugt umfasst die Plasmakammer wenigstens zwei, insbesondere einander gegenüberliegende, Einspeisungsstellen, durch die die elektromagnetischen Wellen einspeisbar sind.
Bevorzugt ist die Plasmakammer oberhalb der Prozesskammer angeordnet. Die Mittelachse der Plasmakammer und die Mittelachse der Prozesskammer können beispielsweise zusammenfallen oder unter einem Winkel zueinander, beispielsweise von zwischen 20° und 70°, angeordnet sein.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich- nungen beschrieben. Es zeigen,
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasma- und
Prozessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasma- und Prozessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3a einen schematischen Längsschnitt einer rohrförmigen Auskleidung der
Plasmakammer aus Fig. 1 und Fig. 2 mit Gaseinlässen gemäß einer ersten Variante,
Fig. 3b einen schematischen Querschnitt der rohrförmigen Auskleidung aus
Fig. 3a,
Fig. 3c einen schematischen Querschnitt der Prozesskammer aus Fig. 1 und
Fig. 2 mit je einem Gaseinlass für ein Begleitgas und ein Schutzgas,
Fig. 4a einen schematischen Längsschnitt einer rohrförmigen Auskleidung einer Plasmakammer mit Gaseinlässen gemäß einer zweiten Variante,
Fig. 4b einen schematischen Querschnitt der rohrförmigen Auskleidung aus
Fig. 4a, und Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasma- und
Prozessvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung, insbesondere zum Wachsen, eines Siliziumeinkristalls durch Behandlung eines siliziumhalti- gen Prozessgases in einem Plasma und nachfolgende Abscheidung, insbesondere Kondensation oder Sublimation, des Siliziums auf dem Einkristall beschrieben, wobei das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren vorwiegend im Bereich Atmosphärendruck angewendet wird. Die Vorrichtung umfasst eine Plasmakammer 1 und eine Prozesskammer 2, wobei die Gehäuse 14, 24 der Plasmakammer 1 und der Prozesskammer 2 durch Wasser gekühlt sind. In die Plasmakammer 1 ist ein Keramikzylinder 13 eingefügt, der zusätzlich noch mit einem Rohr 17, bevorzugt einem Quarzrohr, ausgekleidet ist, das sich zumindest über die gesamte Höhe des Keramikzylinders 13 und des Plasmakammergehäuses 14 erstreckt, damit ein Begleitgas 22 und mögliche Anteile eines Prozessgases 21 nicht mit dem Keramikzy- linder 13 und dem Plasmakammergehäuse 14 in Kontakt kommen. Weiter ist auch die Prozesskammer 2 mit einer Innenauskleidung 27, bevorzugt aus Quarz, ausgekleidet, um auch dort einen Kontakt des Gehäuses 24 mit den Gasen 22 und 21 zu vermeiden, um eine mögliche Kontamination des Einkristalls auszuschließen. Die Plasmakammer 1 und die Prozesskammer 2 sind derart angeordnet, dass die Mittelachse 35 des Quarzrohres 17 und die Rotationsachse 35 eines in der Prozesskammer 2 angeordneten Siliziumeinkristalls 30 eine Linie bilden, wobei die Plasmakammer 1 an der Oberseite der Prozesskammer 2 angeordnet ist und der Siliziumeinkristall 30 und ein zugehöriger Ausgangskristall 31 aus Silizium an der Unterseite der Prozesskammer 2 durch eine Drehvorrichtung 32 zur Rotation 29 der Kristalle 30, 31 gehalten werden, die zusätzlich noch in axialer Richtung bewegt werden kann. Vorzugsweise sind das Quarzrohr 17 und die Prozesskammerauskleidung 27 jeweils rotationssymmetrisch, insbesondere um eine gemeinsame Achse 35, ausgebildet.
Die Prozesskammer 2 in Fig. 1 ist in der schematischen Zeichnung aus Platzgründen stark verkürzt dargestellt, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung aber in der Regel derart ausgebildet, dass auch ein Einkristall 30 mit großer Länge hergestellt werden kann. Wird eine kontinuierliche Herstellung des Einkristalls 30 bevorzugt, kann zusätzlich noch eine Apparatur eingebaut werden, um Teile des Einkristalls 30 in periodischen Abständen aus der Vorrichtung zu entnehmen.
Zwischen dem Quarzrohr 17 und der Quarzauskleidung 27 einerseits und dem Keramikzylinder 13 und den Gehäuseteilen 14 und 24 andererseits kann ein enger Spalt ausgebildet sein, der mit einem Gas, bevorzugt mit Wasserstoff, gefüllt ist, das zur Kühlung der Quarzteile 17 und 27 dient. Das Begleitgas 22 wird durch einen Gaseinlass 18 tangential in das Quarzrohr 17 und einen Rohrstutzen 17i eingelassen, um dort eine rotierende Strömung 19 in Richtung der Prozesskammer 2 zu erzeugen. Das Prozessgas 21 wird durch einen Gaseinlass 16 ebenfalls tan- gential in den Rohrstutzen 17i eingelassen, um dort ebenfalls eine rotierende Strömung in Richtung der Prozesskammer 2 zu erzeugen, wobei das Begleitgas 22 um das Prozessgas 21 rotiert und die Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit der beiden rotierenden Gase 21 und 22 annähernd übereinstimmt, damit es im Quarzrohr 17 zu keiner Durchmischung der Gase kommt.
Der Plasmakammer 1 werden elektromagnetische Wellen 1 1 , insbesondere Mikrowellen, von zwei Seiten mittels Rechteckhohlleitern 12 phasengleich im H10 Mode zugeführt, damit sie sich im Zentrum der Plasmakammer 1 konstruktiv überlagen können. Grundsätzlich können die elektromagnetischen Wellen 1 1 der Plasmakammer 1 aber auch nur von einer Seite zugeführt werden, d.h. eine der in Fig. 1 dargestellten gegenüberliegenden Öffnungen zur Zuführung der elektromagnetischen Wellen 1 1 ist dann nicht vorhanden. Wird in der Plasmakammer 1 durch eine Zündvorrichtung (in Fig.1 nicht dargestellt) ein Plasma 15 gezündet, kann sich in der Plasmakammer 1 ein koaxialer TM Mode der elektromagneti- sehen Wellen 1 1 ausbilden, wobei der koaxiale Außenleiter durch die innere Oberfläche der Plasmakammer 14 gebildet wird und der koaxiale Innenleiter durch die in axialer Richtung ausgeformte Plasmazone 15. Eine doppelseitige Einspeisung mittels kohärenter Wellen 1 1 ist gegenüber einer einseitigen Einspeisung der Mikrowelle vorteilhaft, da dadurch ein wesentlich größerer Querschnitt der Plas- makammer 1 verwendet werden kann, um das Plasma 15 über ein sehr großes Prozessfenster hinsichtlich Gasdurchfluss und eingespeister Mikrowellenleistung zu stabilisieren.
Die Durchflussmengen des Prozessgases 21 und des Begleitgases 22 werden bevorzugt derart eingestellt, dass sich das Plasma 15 nur im Zentrum der rotie- renden Strömung des Prozessgases 21 ausbildet. Das Prozessgas 21 besteht aus einer siliziumhaltigen chemischen Verbindung, bevorzugt aus einer metastabilen Siliziumwasserstoffverbindung, wie z. B. Monosilan (SiH4) oder Disilan (Si2H6), die zwar bei Zimmertemperatur beständig ist, bei hohen Temperaturen aber leicht in seine Bestandteile zerfällt. Dieses Gas wird im Plasma 15 in seine Bestandteile Silizium und Wasserstoff zerlegt, und die einzelnen Bestandteile strömen dann, teilweise in Form von elektrisch geladenen Teilchen, in Richtung einer Siliziumschmelze 26 auf dem Einkristall 30, wobei sie auf dem Weg dorthin eine Rekombinationszone 25 durchlaufen, wobei die elektrisch geladenen Teilchen zu neutra- len Teilchen rekombinieren, die Siliziumatome sich teilweise vernetzen sowie Wasserstoffmoleküle gebildet werden. Die Siliziumatome kondensieren nun auf der Siliziumschmelze 26 und der Wasserstoff verlässt die Prozesskammer 2 in Richtung eines Gasauslasses 23. Eine ausreichende Länge bzw. Höhe der Zone 25 zwischen dem Plasma 15 und der Siliziumschmelze 26 ist dabei vorteilhaft, da dadurch eine hohe Siliziumausbeute des Prozessgases 21 erzielt wird. Ebenso ist der Wasserstoffanteil am Prozessgas 21 sehr vorteilhaft, da er die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas 15 besonders steigert und dadurch das Plasma 15 im Zentrum der Plasmakammer 1 stabilisiert wird. Das Begleitgas 22 besteht vorzugsweise aus einer stabilen siliziumhaltigen Verbindung wie Siliziumtetrachlorid (SiCI4), kann aber auch aus einem Inertgas wie z.B. Argon bestehen. Das Begleitgas 22 dient als Barrieregas zur Umhüllung des Prozessgases 21 in der Plasmakammer 1 zwischen der Plasmazone 15 und dem Quarzrohr 17 sowie in der Prozesskammer 2 zwischen dem verbrauchten Pro- zessgas 21 und der Quarz-Innenauskleidung 27 der Prozesskammer 2. Siliziumtetrachlorid ist als Begleitgas 22 besonders gut geeignet, da sein Molekulargewicht mehr als fünfmal größer ist als das von Monosilan und dadurch die rotierende Strömung in der Plasmakammer 1 und in der Prozesskammer 2 infolge seiner großen Zentrifugalkraft stabilisiert wird, wodurch die Vermischung der Gase 21 und 22 auf dem Weg zum Gasauslass 23 verringert wird. Ein weiterer Vorteil ist seine ätzende Eigenschaft von Siliziunn bei erhöhter Temperatur in Verbindung mit Wasserstoff, wenn es über das Quarzrohr 17 und die Quarzauskleidung 27 streicht. Damit wird eine unerwünschte Abscheidung von Silizium auf den Quarzteilen 17 und 27 verhindert. Zusätzlich kann noch eine Steigerung der Ätzwirkung durch eine geringfügige Beimischung von Chlorwasserstoff oder Chlor zum Begleitgas 22 erzielt werden. Das Begleitgas 22 oder ein anderes Begleitgas wird außerdem noch in einen ringförmigen Spalt zwischen der Prozesskammerauskleidung 27 und einem Rohrstutzen 27i tangential über einen Gaseinlass 38 in die Plasmakammer 2 eingelassen, damit auch in diesem Bereich eine rotierende Strömung in Richtung des Gasauslasses 23 erzeugt wird, um das verbrauchte Prozessgas 21 aus beiden Richtungen kommend, von oben und von unten, zu umhüllen.
Zum Schutz des Einkristalls 30 an seinem Umfang gegen möglichen Abtrag im sehr heißen Randbereich der Schmelze 26 wird zusätzlich noch ein Schutzgas 41 durch einen Gaseinlass 36 tangential zwischen dem Einkristall 30 und der Prozesskammerauskleidung 27 eingelassen, um eine mögliche chemische Reaktion des Siliziumtetrachlorids mit Silizium durch Siliziumdichloridbildung zu unterbinden. Dies wird durch das Schutzgas Wasserstoff bewerkstelligt, es kann aber auch Argon verwendet werden. Abscheidungen im kritischen Bereich des Gasauslasses 23 werden aber nur dadurch verhindert, dass der verbleibende Wasserstoff aus dem Prozessgas 21 und der Wasserstoff aus dem Schutzgas 41 in Kombination mit dem Siliziumtetrachlorid eine ätzende Wirkung entfalten und Siliziumab- scheidungen unterbinden.
Zur Herstellung eines fehlerfreien Siliziumeinkristalls 30 erfolgt zu Beginn des Verfahrens eine Erwärmung und Reinigung des Ausgangskristalls 31 durch ein Plasma 15 mittels eines wasserstoffhaltigen Gases, oder besser mit reinem Wasserstoff, das vorerst an Stelle des Prozessgases 21 in die Plasmakammer 1 eingelei- tet wird, um die Oberfläche des Ausgangskristalls 31 von Siliziumoxid und ande- ren Verunreinigungen zu befreien. Die elektrische Leitfähigkeit des Siliziums wird dabei gleichzeitig so weit erhöht, dass mittels Radiofrequenz (RF) über eine Spule 28, die in Fig. 1 zwei Windungen aufweist, noch zusätzlich Leistung eingebracht werden kann, um den Siliziumausgangskristall 31 langsam weiter zu erhitzen, so dass er im Nahbereich der Spule 28 eine aufgeschmolzene Zone 26 bildet, ohne dass im Ausgangskristall Gitterversetzungen entstehen.
Als nächster Schritt des Verfahrens wird nun langsam die Konzentration von Mo- nosilan im Prozessgas 21 gesteigert und die Wasserstoffkonzentration entspre- chend zurückgefahren, um Silizium auf der Oberfläche der Schmelze 26 zu kondensieren. Als weiterer Schritt werden die Gasmengen 21 und 22 nun so lange gesteigert, dass eine entsprechende Menge Silizium der Schmelze 26 zugeführt werden kann, um die gewünschte Kristallwachstumsrate von etwa 1 bis 2 Millimeter pro Minute zu erreichen und den Durchmesser des Ausgangskristalls 31 kegel- förmig auf den gewünschten Durchmesser des Einkristalls 30 zu steigern. Dieser Prozess wird nun so lange fortgesetzt, bis die gewünschte Länge des zylindrischen Einkristalls 30 erreicht ist, um anschließend den Durchmesser des Einkristalls 30 wieder zu reduzieren, damit Kristallversetzungen auch bei der Abkühlphase vermieden werden.
Die erforderliche Leistung zur Zerlegung des Gases Monosilan wird durch die Mikrowellenleistung bereitgestellt, die in die Plasmakammer 1 eingespeist wird, um ein sehr heißes und hoch leitfähiges Plasma 15 zu erzeugen, das anschließend über eine Rekombinationszone 25 in die Prozesskammer 2 eingeleitet wird. Die notwendige Energie zur Aufrechterhaltung der Schmelze 26 während des Verfahrens wird durch die Kondensationswärme der im Plasma 15 aufgespaltenen Siliziumatome und zusätzlich durch die induktiv eingekoppelte RF-Leistung bereitgestellt. Die Verteilung der Schmelze 26 auf dem Kristall 30 ist technologisch Stand der Technik und kommt bereits beim sogenannten FZ Verfahren zur Anwendung. Sie wird hauptsächlich durch die Rotationsgeschwindigkeit 29 des Kristallstabs 30, den Abstand der Schmelze 26 zur RF-Spule 28 und die RF-Leistung eingestellt, die der RF-Spule 28 zugeführt wird, kann aber auch erfindungsgemäß durch Unterteilung der RF Spule 28 in zwei oder mehrere separat geregelte Spulen bewerkstelligt werden. Die Rotationsrichtung 19 der Gase 21 , 22 und die Rotations- richtung 29 des Kristallstabs 30 ist vorzugsweise gegenläufig.
Zu Beginn des Verfahrens ist es prinzipiell auch möglich, dass die Oberflächentemperatur des Ausgangskristalls 31 knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums gehalten wird und der Ausgangskristall nach der Reinigung im Wasser- stoffplasma durch Sublimation von Silizium auf seiner Oberfläche bis zu einem gewünschten Durchmesser anwächst, ehe die Temperatur über den Schmelzpunkt gesteigert wird und sich eine Schmelze auf dem Ausgangskristall 31 ausbildet, um den Einkristall 30 dann weiter nach dem in Fig. 1 beschrieben Verfahren aus der Siliziumschmelze 26 herzustellen. Die Temperaturänderungen sind dabei nur so schnell durchzuführen, dass die daraus resultierenden mechanischen Spannungen zu keinen Versetzungen im Kristall 30 führen.
Anhand von Fig. 2 ist eine abgewandelte, weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wachsen eines Siliziumeinkristalls 30 durch Be- handlung eines siliziumhaltigen Prozessgases in einem Plasma 15 und nachfolgende Abscheidung des Siliziums auf dem Einkristall 30 beschrieben, wobei das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vorwiegend im Bereich Atmosphärendruck angewendet wird. Die Vorrichtung besteht wiederum aus einer Plasmakammer 1 und einer Prozesskammer 2, die jedoch unterschiedlich zu Fig. 1 angeordnet sind. Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 stimmt bis auf die nachstehend beschriebenen Unterschiede zumindest im Wesentlichen mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform überein. Dabei sind gleiche oder vergleichbare Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Der Unterschied der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 zu Fig. 1 besteht darin, dass die Mittelachse des Quarzrohrs 17 und die Rotationsachse 35 des Silizium-Einkristalls 30 einen Winkel aufweisen, der insbesondere zwischen 20 und 70 Grad beträgt. Der Siliziumeinkristall 30 ist nun an der Oberseite der Prozesskammer 2 drehbar angebracht und kann gleichzeitig in Achsrichtung bewegt werden. Der Einlass des Quarzrohrs 17 in die Prozesskammer 2 befindet sich im unteren Eckbereich der Prozesskammer 1 . Bevorzugt nicht nur eine RF- Spule 28 vorgesehen, sondern es sind wenigstens zwei voneinander getrennt geregelte RF-Spulen 28, insbesondere mit jeweils mindestens 2 Wicklungen vorge- sehen, um den Siliziumeinkristall 30 zu erwärmen. Zur besseren Regelung der Oberflächentemperatur des Einkristalls 30 können weitere Spulen 28 vorgesehen sein.
Der Unterschied des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 2 zu Fig. 1 be- steht darin, dass der Silizium-Einkristall 30 durch die wenigstens eine RF-Spule 28 nun in einem Temperaturbereich bis knapp unterhalb oder unmittelbar bis zur Schmelztemperatur des Siliziums erwärmt wird und eine Sublimation des Siliziums direkt am Einkristall 30 erfolgt. Die Plasmakammer 1 gemäß Fig. 2 ist in gleicher Weise aufgebaut wie die Plasmakammer 1 gemäß Fig. 1 und die Gase 21 und 22 werden in gleicher Weise in das Quarzrohr 17 rotierend eingeleitet und das Plasma 15 entsprechend gezündet, um das Prozessgas 21 Monosilan in seine Bestandteile Silizium und Wasserstoff zu zerlegen, wobei sie unter einem Winkel zwischen 20 und 70 Grad zur Rotationsachse 35 des Siliziumeinkristalls 30 geneigt auf dessen Oberfläche treffen. Das Silizium sublimiert direkt am Einkristall 30 oder kondensiert auf einer atomar dünnen geschmolzenen Schicht 26 und der Wasserstoff wird zum Gasauslass 23 geleitet. Das Begleitgas 22 umhüllt das Prozessgas 21 und schützt auch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 die Auskleidungen 17, 27 der Plasma- und Prozesskammer 1 , 2 vor unerwünschten Siliziumabschei- dungen, um einen kontinuierlichen Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen. Mittels entsprechender axialer Bewegungen kann aus einem Ausgangskristall 31 zu Beginn der Prozessführung der Durchmesser des Einkristalls 30 auf das gewünschte Sollmaß gesteigert werden, um in der Folge einen zylinderförmigen Einkristall 30 herzustellen. Die Einstellung der Gleichmäßigkeit während der Abschei- dung am Einkristall 30 erfolgt nicht mehr durch die Verteilung der Siliziumschmelze 26 wie in Fig. 1 dargestellt, sondern durch eine entsprechend geregelte axiale Bewegung des rotierenden Einkristalls 30 in der Rekombinationszone 25 des Plasmas 15, um einen zylindrischen Einkristall 30 herzustellen. Mit den in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Vorrichtungen und Verfahren ist auch eine kontinuierliche Herstellung von Einkristallen 30 möglich, wobei durch entsprechende ergänzende Vorrichtungen, die nicht in den Figuren dargestellt sind, Teile des Einkristalls 30 in periodischen Abständen aus den Vorrichtungen entnommen werden können.
In den Figuren 3a und 3b sind ein schematischer Längsschnitt und ein schemati- scher Querschnitt der rohrförmigen Auskleidung 17 der Plasmakammer 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtungen aus den Fig. 1 und Fig. 2 mit seinen Gaseinläs- sen 16, 18 dargestellt. Das Quarzrohr 17 ist an einer Seite durch einen Quarzde- ekel verschlossen, in dessen Zentrum der Rohrstutzen 17i in Form eines kurzen Quarzrohrs befestigt ist. Im Zwischenraum zwischen den Quarzrohren 17 und 17i wird das Begleitgas 22 tangential über den Gaseinlass 18 eingelassen, um dann rotierend zur Prozesskammer 2 zu strömen. Die Länge des Quarzrohrs 17i wird so gewählt, dass es über den Gaseinlass 18 genügend weit hinausragt, um eine gleichmäßige rotierende Strömung im Zwischenraum der Quarzrohre 17 und 17i zu erzeugen. Das Prozessgas 21 wird über den Gaseinlass 16 nahe der Abdeckung der Quarzrohre 17 und 17i tangential in das Rohr 17i eingelassen und erzeugt dort ebenfalls eine rotierende Strömung in Richtung Prozesskammer 2, wobei es am Ende des Quarzrohres 17i vom Begleitgas 22 umhüllt wird und dort ge- meinsam mit dem Begleitgas 22 zur Prozesskammer 2 strömt, ohne sich zu ver- mischen. Der Gaseinlass 18 des Begleitgases 22 soll dabei möglichst klein gewählt werden, um eine große radiale Komponente der Strömung zu erzeugen, damit das Begleitgas 22 mit der großen spezifischen Dichte auf der Oberfläche des Quarzrohrs 17 gut verteilt wird und das leichte Prozessgas 21 sicher im Zent- rum des Rohres 17 geführt werden kann. Der Durchmesser des Quarzrohrs 17i und die Größe des Gaseinlasses 16 werden dabei so dimensioniert, dass das Prozessgas 21 und das Begleitgas 22 in gleicher Richtung rotieren und die Winkelgeschwindigkeit 19 der Gase 21 , 22 keine großen Unterschiede aufweisen. Eine höhere Winkelgeschwindigkeit des Begleitgases 22 ist dabei bevorzugt.
In der Fig. 3c ist ein schematischer Querschnitt der Prozesskammer 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtungen aus Fig. 1 und Fig. 2 mit je einem Gaseinlass 36, 38 für ein Begleitgas 22 und ein Schutzgas 41 dargestellt. Der Querschnitt zeigt im Zentrum den herzustellenden Einkristall 30, weiter das Prozesskammergehäuse 24 und die Prozesskammerauskleidung 27 mit einem Rohrstutzen 27i aus Quarz, der mit einem Quarzring an der Kammerauskleidung 27 befestigt ist. Das Begleitgas 22 wird über den Gaseinlass 38 tangential zwischen der Auskleidung 27 und dem Rohrstutzen 27i in die Prozesskammer 2 eingelassen und strömt rotierend in Richtung Gasauslass 23. Das Schutzgas 41 wird über den Gaseinlass 36 eben- falls tangential zwischen dem Einkristall 30 und der Prozesskammerauskleidung 27 eingelassen und strömt rotierend zum Gasauslass 23. Der sehr heiße Bereich des Einkristalls 30, der sich im Bereich des Quarzstutzens 27i bis zur Schmelzzone 26 erstreckt, wird so erfindungsgemäß durch das rotierende Schutzgas 41 gegenüber einem möglichen Ätzangriff des Begleitgases 22 geschützt. Als Schutz- gas 41 kann Wasserstoff, aber auch ein Inertgas, wie zum Beispiel Argon verwendet werden. Die Größe der Gaseinlässe 36 und 38 sind so zu wählen, dass die Rotationsgeschwindigkeiten des Schutzgases 41 sowie der Begleitgase 22 aus der Plasmakammer 1 und der Prozesskammer 2 im Bereich des Gasauslasses 23 annähernd übereinstimmen, damit das verbrauchte Prozessgas 21 , vom Begleit- gas 22 beidseitig gut umhüllt, in Richtung Gasauslass 23 abfließen kann. In den Figuren 4a und 4b sind ein schematischer Längsschnitt und ein schemati- scher Querschnitt einer zweiten Variante der Gaseinlässe einer rohrförmigen Auskleidung 17 einer Plasma kam mer 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung darge- stellt. Das Prozessgas 21 wird dabei entlang der Rotationsachse 35 der rohrförmigen Auskleidung 17 über den Gaseinlass 16 in den Quarzstutzen 17i eingelassen. Der Gaseinlass 18 für das Begleitgas 22 ist dabei unverändert gegenüber der Variante in den Figuren 3a und 3b angeordnet und setzt das Begleitgas 22 in Rotation 19, und das Begleitgas strömt zwischen dem Quarzrohr 17 und dem Quarz- stutzen 17i in Richtung Prozesskammer 2. Am Ende des Quarzstutzens 17i kommt das Prozessgas 21 mit dem rotierenden Begleitgas 22 in Berührung.
Dadurch kann das Prozessgas 21 durch innere Reibung der beiden Gase 21 , 22 an ihrer Grenzfläche langsam in Rotation versetzt werden, wobei es in Folge der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Gase 21 und 22 zu Verwirbelungen kommen kann, die eine unerwünschte Durchmischung der beiden Gase 21 , 22 fördern. Deshalb ist die in den Figuren 4a und 4b dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform prinzipiell zwar möglich, jedoch ist die in den Figuren 3a und 3b dargestellte Ausführungsform bevorzugt. In den Figuren 4a und 4b werden für gleiche oder vergleichbare Merkmale wie in Fig. 3a und 3b hierzu gleiche Bezugs- zeichen verwendet.
In Fig. 5 ist eine abgewandelte, weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Wachsen eines Siliziumeinkristalls 30 durch Behandlung eines siliziumhaltigen Prozessgases 21 in einem Plasma 15 und nachfolgende Abscheidung des Siliziums auf einem Einkristall 30 beschrieben, wobei das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls vorwiegend im Bereich Atmosphärendruck angewendet wird. Die Vorrichtung besteht wiederum aus einer Plasmakammer 1 und einer Prozesskammer 2, die ähnlich wie in Fig. 1 angeordnet sind. Dabei sind gleiche oder vergleichbare Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Die Vorrichtung Fig. 5 kann aber beispielsweise auch um 180 Grad gedreht angeordnet sein.
Der Unterschied der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 5 zu Fig. 1 be- steht darin, dass am Einkristall 30 keine Siliziumschmelze 26 ausgebildet wird, die während der gesamten Prozessführung zur gleichmäßigen Verteilung des abgeschiedenen Siliziums über den Querschnitt der Einkristalls 30 dient und aus der schließlich der Einkristall gebildet wird. Die gleichmäßige Verteilung des Siliziums über einen gewünschten Querschnitt des Einkristalls 30 wird gemäß Fig. 5 viel- mehr durch eine entsprechende Führung des Prozessgases 21 erzielt, das im Zwischenraum zwischen dem Einkristall 30 und dem Begleitgas 22 entlang eines geeignet geformten rotationssymmetrischen Konus 27a der Prozesskammerauskleidung 27 zum Gasauslass 23 geführt wird. Das Prozessgas 21 ist im Bereich des Konus 27a als 21 a dargestellt, da im Konusbereich die Abscheidung von Sili- zium am Einkristall erfolgt und das Prozessgas am unteren Ende des Konus 27a vorwiegend aus Wasserstoff besteht mit einem geringfügigen Anteil an Silizium. Der Winkel des rotationssymmetrischen Konus 27a zur Konusachse (Rotationsachse 35) beträgt dabei zwischen 10 und 45 Grad, vorzugsweise zwischen 15 und 20 Grad. Der Bereich der Prozesskammerauskleidung 27 kann aber auch als eine von Konus abweichende rotationssymmetrische Form aufweisen.
Als Begleitgas 22 kann neben den bekannten Gasen Siliziumtetrachlorid oder Argon mit eventueller Beimengung von Chlorwasserstoff oder Chlor und optional zusätzlich von Wasserstoff auch das Gas Trichlorsilan besonders vorteilhaft ver- wendet werden, da es entsprechend dem Stand der Technik besonders rein zur Verfügung steht und damit besonders reine Einkristalle hergestellt werden können. Daneben ist auch Dichlorsilan als Begleitgas 22 geeignet, insbesondere mit eventueller Beimengung von Chlorwasserstoff oder Chlor und optional zusätzlich von Wasserstoff. Der Einkristall 30 kann während der Prozessführung über die Rotations- und Senkvorrichtung 32 rotiert und gesenkt werden. Eine Rotation des Einkristalls 30 ist aber prinzipiell nicht erforderlich, da bereits das Begleit- Prozess- und Schutzgas 22, 21 , 41 rotierend eingelassen wird.
Der Einkristall 30 wird im Bereich des Konus 27a durch mindestens eine RF-Spule 28 induktiv erwärmt, wobei die Temperatur zur Abscheidung von Silizium am Einkristall 30 zwischen 1 100 Grad Celsius und der Schmelztemperatur des Siliziums von 1410 C, vorzugsweise zwischen 1300 C und 1410 C gewählt wird.
Mittels der induktiven Heizung durch eine oder mehrere RF-Spulen 28 ist es außerdem möglich, dass die Oberfläche des Einkristalls 30 im Bereich des Konus 27a der Prozesskammer 2 in periodischen Abständen aufgeschmolzen wird, um anschließend durch periodische Rekristallisation des Einkristalls Kristallfehler aus- zuheilen, die während des Abscheideprozesses möglicherweise in das Kristallgitter eingebaut werden. Die Aufschmelzperiode kann dabei zwischen 3 Sekunden und einer Minute, vorzugsweise zwischen 10 und 30 Sekunden betragen. Ein entsprechendes periodisches Erhitzen und Aufschmelzen des Einkristalls 30 kann im Übrigen auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 vorgenommen werden.
Durch die in Fig. 5 beschriebene Ausführungsform kann die in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Plasma- und Prozessvorrichtung vereinfacht werden. Die Vereinfachung besteht insbesondere darin, dass keine dauerhafte Schmelze am Einkristall 30 erzeugt wird, die technologisch anspruchsvoll ist, um eine gleichmäßige Verteilung des Siliziums über dem gesamten Einkristall 30 zu gewährleisten, um dann daraus durch Flüssigkeitsepitaxie einen Siliziumeinkristall 30 herzustellen.
Grundsätzlich gilt damit, dass - wie anhand Fig. 5 beispielhaft erläutert - eine gleichmäßige Abscheidung des Siliziums über den gesamten Querschnitt des Ein- kristalls durch eine entsprechende Führung des Prozessgases erzielt werden kann, das im Zwischenraum zwischen dem Einkristall und dem Begleitgas entlang eines geeigneten geformten rotationssymmetrischen Konus der Prozesskammerauskleidung zum Gasauslass geführt wird.
Die Erwärmung des Einkristalls auf Abscheidetemperatur kann im Bereich des Konus der Prozesskammer mittels induktiver Heizung durch eine oder mehrere RF-Spulen erzeugt werden, wobei eine Abscheidetemperatur bis knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Siliziums bevorzugt ist.
Zur Ausheilung von Kristallfehlern, die möglicherweise bei der Abscheidung des Siliziums durch Gasphasenepitaxie in den Einkristall eingebaut werden, kann mittels induktiver Heizung durch eine oder mehrere RF-Spulen die Oberfläche des Einkristalls im Bereich des Konus der Prozesskammer in periodischen Abständen aufgeschmolzen und anschließend durch periodische Rekristallisation wieder abgekühlt werden, um wiederum durch Flüssigkeitsepitaxie einen fehlerfreien Siliziumeinkristall zu erzeugen. Durch das periodische Aufschmelzen der Oberfläche des Einkristalls kann zusätzlich die Schmelze verteilt werden, um einen möglichst gleichmäßigen Querschnitt über die gesamte Länge des Einkristalls herzustellen.
Bei allen Ausführungsformen können die Begleitgase Siliziumtetrachlorid, Argon, Trichlorsilan oder Dichlorsilan, insbesondere mit Zusatz von Chlorwasserstoff oder Chlor und optional zusätzlich von Wasserstoff, verwendet werden, wobei das Gas Trichlorsilan besonders vorteilhaft verwendet werden kann, da es entsprechend dem Stand der Technik besonders rein zur Verfügung steht und damit besonders reine Einkristalle hergestellt werden können.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wachsen eines Einkristalls durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases in einem durch elektromagnetische Wellen angeregten Plasma und nachfolgende Abscheidung, insbesondere Kondensation oder Sublimation, des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases auf dem Einkristall, wobei ein Prozessgas gemeinsam mit einem rotierenden, das Prozessgas umhüllenden Begleitgas in eine Plasmakammer geleitet wird, das Prozessgas im Plasma in seine Bestandteile zerlegt wird und der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases in der Prozesskammer auf dem Einkristall abgeschieden wird, insbesondere kondensiert oder sublimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Wachsen eines Einkristalls (30) durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases (21) in einem durch elektromagnetische Wellen (11) angeregten Plasma (15) und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21) auf dem Einkristall (30), bei dem
das Prozessgas (21) über einen ersten Gaseinlass (16) und ein Begleitgas (22) über einen zweiten Gaseinlass (18) derart in eine Plasmakammer (1 ) eingeleitet werden, dass das Begleitgas (22) um das Prozessgas (21) rotiert,
das Prozessgas (21) in dem Plasma (15) in seine Bestandteile zerlegt wird,
das zerlegte Prozessgas (21) gemeinsam mit dem Begleitgas (22) in eine Prozesskammer (2), in der der Einkristall (30) angeordnet ist, geleitet wird, und
der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases (21) auf dem Einkristall (30) abgeschieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Begleitgas (22) bezüglich seiner Rotationsachse (35) tangential in die Plasmakammer (1 ) eingeleitet wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Begleitgas (22) beim Einleiten gegen eine Innenwand der Plasmakammer (1), insbesondere einer Kammerauskleidung (17) der Plasmakammer (1), bevorzugt aus Quarz, strömt.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21 ) derart in die Plasmakammer (1 ) eingeleitet wird, dass das Prozessgas (21) innerhalb des Begleitgases (22) rotiert, wobei das Prozessgas (21) und das Begleitgas (22) um eine gemeinsame Rotationsachse (35) rotieren.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehrichtung des Begleitgases (22) der Drehrichtung des Prozessgases (21) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehgeschwindigkeit des Prozessgases (21) die Drehgeschwindigkeit des Begleitgases (22) nicht überschreitet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21) bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse (35) tangential in einen, insbesondere zentral, in die Plasmakammer (1) eingesetzten Rohrstutzen (17i) eingeleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21) beim Einleiten gegen die Innenwand des in die Plasmakammer (1) eingesetzten Rohrstutzens (17i) strömt.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21) längs der Richtung der Rotationsachse (35) des Begleitgases (22) in die Plasmakammer (1) eingeleitet wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21) und das Begleitgas (22) in Richtung der Prozesskammer (2) strömen.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Plasmakammer (1), ein in die Plasmakammer (1) eingesetzter Rohrstutzen (17i) und/oder die Prozesskammer (2) rotationssymmetrisch um die Rotationsachse (35) des Begleitgases (22) ausgebildet ist.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Prozessgas (21) ein siliziumhaltiges Gas umfasst, insbesondere ist, und/oder dass der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases (21) Silizium ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das siliziumhaltige Gas (21) Monosilan oder Disilan ist, dem ein Do- tiergas beigemengt sein kann.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Begleitgas (22) Siliziumtetrachlorid oder Argon oder Trichlorsilan oder Dichlorsilan umfasst, insbesondere ist, dem Chlorwasserstoff oder Chlor und optional zusätzlich Wasserstoff beigemengt sein kann.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Begleitgas (22) oder ein anderes Begleitgas über einen weiteren Gaseinlass (38) derart in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird, dass es um den Einkristall (30) rotiert. 16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass das in die Prozesskammer (2) eingeleitete Begleitgas (22) bezüglich seiner Rotationsachse (35) tangential in die Prozesskammer (2) eingeleitet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass das in die Prozesskammer (2) eingeleitete Begleitgas (22) beim Einleiten gegen eine Innenwand der Prozesskammer (2), insbesondere eine In- nenwand einer Kammerauskleidung (27) der Prozesskammer (1 ), bevorzugt aus Quarz, strömt.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Schutzgas (41) über einen weiteren Gaseinlass (38) zwischen den Einkristall (30) und das in die Prozesskannnner (2) eingeleitete Begleitgas (22), insbesondere rotierend, in die Prozesskannnner (2) eingeleitet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schutzgas (41 ) Wasserstoffgas oder Argon umfasst, insbesondere ist.
20. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 15 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehrichtung des in die Prozesskammer (2) eingeleiteten Begleitgases (22) und/oder eines in den die Prozesskammer (2) eingeleiteten Schutzgases (41) der Drehrichtung des in die Plasmakammer (1) eingeleiteten Begleitgases (22) entspricht.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren in einem Druckbereich von zwischen 0,1 bar und 10 bar, bevorzugt zwischen 0,5 bar und 5 bar, durchgeführt wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Plasmakammer (1 ) und/oder die Prozesskammer (2) mit einer Kammerauskleidung (17, 27), insbesondere aus Quarz, ausgekleidet ist.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Einkristall (30) um eine Drehachse (35) gedreht wird, und/oder dass mit fortschreitender Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21) auf dem Einkristall (30) der Einkristall (30) in axialer Richtung bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehachse (35) des Einkristalls (30) mit der Rotationsachse (35) des in die Plasmakammer (1) eingeleiteten Begleitgases (22) zusammenfällt. 25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehrichtung des Einkristalls (30) der Drehrichtung des in die Plasmakammer (1) eingeleiteten Begleitgases (22) entgegengerichtet ist. 26. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Erhitzung des Einkristalls (30), insbesondere im Bereich der Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21), elektromagnetische Wellen induktiv, insbesondere mittels wenigstens einer Spu- le (28), in die Prozesskammer (2) eingekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektromagnetischen Wellen in periodischen Zeitabständen, insbesondere für eine jeweilige Zeitdauer von zwischen 3 Sekunden und einer Minute, vorzugsweise zwischen 10 Sekunden und 30 Sekunden, und mit einer Leistung eingekoppelt werden, dass der Einkristall (30) im Bereich der Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21) aufgeschmolzen wird.
28. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases (21) auf einer Schmelze (26) des Einkristalls (30) kondensiert, aus der der Einkristall (30) gebildet wird, und/oder auf dem Einkristall (30) sublimiert.
29. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zu Beginn des Verfahrens der kristallbildende Bestandteil des Prozessgases (21) auf einem Ausgangskristall (31) abgeschieden wird.
30. Vorrichtung zum Wachsen eines Einkristalls (30) durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases (21) in einem durch elektromagnetische Wellen (11) angeregten Plasma (15) und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21) auf dem Einkristall (30), wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
31. Vorrichtung zum Wachsen eines Einkristalls (30) durch Behandlung eines einen kristallbildenden Bestandteil aufweisenden Prozessgases (21) in einem durch elektromagnetische Wellen (11) angeregten Plasma (15) und Abscheidung des kristallbildenden Bestandteils des Prozessgases (21) auf dem Einkristall (30), umfassend
eine Plasmakammer (1) zur Zerlegung des Prozessgases (21) in dem Plasma (15) in seine Bestandteile mit einem ersten Gaseinlass (16) für das Prozessgas (21) und einem zweiten Gaseinlass (18) für ein Begleitgas (22), wobei die beiden Gaseinlässe (16, 18) dazu ausgebildet sind, das Prozessgas (21) und ein Begleitgas (22) derart in die Plasmakammer (1) einzuleiten, dass das Begleitgas (22) um das Prozessgas (21) rotiert, und eine Prozesskammer (2), in der der Einkristall (30) anordenbar ist und in die das zerlegte Prozessgas (21 ) gemeinsam mit dem Begleitgas (22) einleitbar ist, um den kristallbildenden Bestandteil des Prozessgases (21 ) auf dem Einkristall (30) abzuscheiden.
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