WO2021018502A1 - Method for drawing a silicon monocrystal from a melt using the czochralski method - Google Patents

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WO2021018502A1
WO2021018502A1 PCT/EP2020/068489 EP2020068489W WO2021018502A1 WO 2021018502 A1 WO2021018502 A1 WO 2021018502A1 EP 2020068489 W EP2020068489 W EP 2020068489W WO 2021018502 A1 WO2021018502 A1 WO 2021018502A1
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diameter
single crystal
melt
pulling
monocrystal
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PCT/EP2020/068489
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Alexander Molchanov
Matiss PLATE
Andreas Sattler
Dirk Zemke
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Siltronic Ag
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    • C30B15/20Controlling or regulating
    • C30B15/22Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
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    • C30B15/14Heating of the melt or the crystallised materials
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    • C30B29/06Silicon

Definitions

  • the invention relates to a method for pulling a single crystal of silicon according to the Czochralski method from a melt, comprising
  • a single crystal is pulled from a melt according to the Czochralski method, usually by melting polycrystalline material to a melt in a crucible, dipping a single crystal seed crystal into the melt and pulling it away from the melt.
  • a single crystal is pulled, which is divided into an initial cone, a cylindrical section and a
  • End cone can be divided.
  • the cylindrical section of the single crystal is of particular interest because it is further processed into semiconductor wafers, which in turn are the basic material for the production of electronic components.
  • Diameter of a single crystal during the pulling of a first section of the single crystal to vary the pulling speed, and to pull the single crystal at a predetermined pulling speed during the pulling of a second section.
  • the initial cone to the cylindrical section is comparatively imprecise.
  • Crystallization rate v is in particular through in this phase
  • the method according to WO 2018/069051 A1 provides, when pulling the initial cone, the pulling speed v p and the heating power of the heating source, which is above the
  • the object of the present invention is to effectively limit the mentioned loss of yield by providing a comparatively robust method.
  • the object of the invention is achieved by a method for drawing a
  • Single crystal of silicon according to the Czochralski method from a melt comprising pulling at least one end section of an initial cone and a cylindrical section of the single crystal at a pulling speed that follows a predetermined course and repeatedly performing the following steps a) to c) in the course of regulating the diameter of the end section of the
  • the diameter must be regulated which has as little influence as possible on the quotient v / G. So it can be arranged that the
  • Loss of yield can be avoided. Obviously, it is not sufficient to begin regulating the diameter in the manner described only with the pulling of the cylindrical section of the single crystal. Rather, it must be ensured that this regulation is started before the cylindrical section of the single crystal is pulled. It is particularly preferred to control the
  • a feedback control is set up, with a specified target diameter as the reference variable, the current diameter as the controlled variable and the heating power of the annular
  • Resistance heating as a manipulated variable.
  • the heating power of a main heating source for heating the crucible from the side follows a predetermined profile and is preferably readjusted if necessary in order to relieve the annular resistance heating.
  • the diameter of a first part of the initial cone is regulated up to the end section of the initial cone, preferably with the drawing speed v p as the manipulated variable.
  • images from a camera system are preferably evaluated by means of automatic image processing, which depict the bright ring that is on the melt around the
  • the controller of a control loop according to the invention is designed as a PID controller, preferably as a PD controller.
  • a desired defect distribution of intrinsic point defects preferably comprises a distribution in which such point defects are indeed present in the single crystal, but only in an amount below a concentration at which they are in an agglomerated state.
  • agglomerates in particular in the form of COP defects (crystal originated particles), OSF defects (oxidation induced stacking faults), B-band defects and Lpit defects (large pits) cannot be detected.
  • the intrinsic point defects are preferably distributed in such a way that semiconductor wafers made of silicon obtained from the cylindrical section of the single crystal either only have silicon interstitials or only vacancies
  • the course of the pulling speed v p is preferably specified such that the concentrations of vacancies and silicon interstitials remain below critical concentrations.
  • the critical concentrations can be determined by comparison with the occurrence of larger agglomerates.
  • a silicon single crystal pulled by the method according to the invention preferably has a diameter of at least 300 mm.
  • FIG. 1 shows an apparatus for pulling a single crystal made of silicon according to the CZ method.
  • FIG. 2 shows the course of the deviation in the pulling speed as a function of the position in the single crystal as a result of two jumps in the pulling speed.
  • FIG. 3 shows the change in the concentration of point defects in the single crystal as a result of the cracks shown in FIG. 4 shows the course of the pulling speed as a function of the crystal position when using a method according to the invention and when using a regulation of the diameter of the single crystal that is not according to the invention.
  • 5 shows the course of the deviation of the diameter of a single crystal from a nominal diameter as a function of the position in the single crystal when using the method according to the invention and when using a counter-example not according to the invention.
  • the device according to FIG. 1 comprises a pulling chamber 1, in which a crucible 2 for receiving the melt 3 is accommodated, and a camera system 4 for
  • the crucible 2 is carried by a shaft 6 which can be raised, lowered and rotated.
  • a resistance heater 7 is arranged around the crucible 2, with the aid of which solid silicon is melted to form the melt 3.
  • the growing single crystal 5 is pulled from the melt via a pulling mechanism 8.
  • a heat shield 9 and an annular resistance heater 10, which surround the growing single crystal 5, are arranged above the crucible 2.
  • About the resistance heater 10 can a Shielding (not shown) may be provided which restricts the upward transport of heat.
  • FIG. 2 and FIG. 3 are intended to illustrate how fluctuations in the pulling speed v p can change the concentration C of point defects in the single crystal.
  • FIG. 2 two jumps in the pulling speed Dn r as a function of the axial position P in the single crystal are shown with a continuous curve and a dashed curve.
  • the position Po denotes the beginning of the cylindrical section of the single crystal.
  • FIG. 3 shows the direct effect of the jumps as a significant change in the concentration of point defects AC. It can be seen that after the cracks, a significant amount of crystal length must be drawn before
  • Pull speed v p exist as a manipulated variable up to position Po in the single crystal, with the sequence shown in FIG.
  • Nominal diameter (solid curve) and the diameter according to the example (curve drawn with double dashed lines) and counter-example (curve drawn with single dashed lines) are compared.
  • the diameter d s designates the nominal diameter in the cylindrical section of the single crystal.

Abstract

The invention relates to a method for drawing a silicon monocrystal from a melt using the Czochralski method, said method comprising: pulling at least one end section of a starting taper and of a cylindrical portion of the monocrystal with a pulling speed which follows a predefined course and repeated performance of the following steps a) to c) while regulating the diameter of the end section of the starting taper and of the cylindrical portion of the monocrystal: a) measuring the current diameter of the monocrystal; b) determining the deviation of the current diameter from a target diameter of the monocrystal; and c) using the heat output of an annular resistor heater, which has a diameter that is greater than the current diameter of the monocrystal, and which is arranged concentrically with the starting taper over the melt, as a control variable for regulating the diameter of the monocrystal to the target diameter of the monocrystal.

Description

Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium gemäß der Czochralski- Method for pulling a single crystal of silicon according to the Czochralski
Methode aus einer Schmelze Method from a melt
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze, umfassend The invention relates to a method for pulling a single crystal of silicon according to the Czochralski method from a melt, comprising
das Ziehen eines Anfangskonus und eines zylindrischen Abschnitts des Einkristalls. pulling an initial cone and a cylindrical portion of the single crystal.
Stand der Technik / Probleme State of the art / problems
Ein Einkristall wird gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze gezogen, üblicherweise indem polykristallines Material in einem Tiegel zu einer Schmelze geschmolzen wird, ein einkristalliner Impfkristall in die Schmelze getaucht und von der Schmelze weggezogen wird. Im Verlauf dieses Prozesses wird ein Einkristall gezogen, der in einen Anfangskonus, einen zylindrischen Abschnitt und einen A single crystal is pulled from a melt according to the Czochralski method, usually by melting polycrystalline material to a melt in a crucible, dipping a single crystal seed crystal into the melt and pulling it away from the melt. In the course of this process, a single crystal is pulled, which is divided into an initial cone, a cylindrical section and a
Endkonus unterteilt werden kann. Von besonderem Interesse ist der zylindrische Abschnitt des Einkristalls, weil dieser zu Halbleiterscheiben weiterverarbeitet wird, die wiederum Grundmaterial für die Herstellung elektronischer Bauelemente sind. End cone can be divided. The cylindrical section of the single crystal is of particular interest because it is further processed into semiconductor wafers, which in turn are the basic material for the production of electronic components.
Gemäß US 2003/0033972 A1 ist es wünschenswert den Anfangskonus eines According to US 2003/0033972 A1, it is desirable to have an initial cone
Einkristalls aus Halbleitermaterial derart zu ziehen, dass der Anfangskonus eine angestrebte Form erhält und dass der Einkristall bereits zu Beginn des Ziehens des zylindrischen Abschnitts hinsichtlich der Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte und deren Agglomerate angestrebte Eigenschaften aufweist. To pull single crystal of semiconductor material in such a way that the initial cone is given a desired shape and that the single crystal has desired properties with regard to the defect distribution of intrinsic point defects and their agglomerates already at the beginning of the drawing of the cylindrical section.
Das in WO 00/56956 A1 beschriebene Verfahren sieht vor, zur Regelung des The method described in WO 00/56956 A1 provides for regulating the
Durchmessers eines Einkristalls während des Ziehens eines ersten Abschnitts des Einkristalls die Ziehgeschwindigkeit zu variieren, und den Einkristall mit vorbestimmter Ziehgeschwindigkeit während des Ziehens eines zweiten Abschnitts zu ziehen. Diameter of a single crystal during the pulling of a first section of the single crystal to vary the pulling speed, and to pull the single crystal at a predetermined pulling speed during the pulling of a second section.
In US 2011/0126757 A1 wird vorgeschlagen, den zylindrischen Teil eines Einkristalls aus Halbleitermaterial mit einer vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit zu ziehen und den Durchmesser des zylindrischen Teils mittels der Heizleistung einer Heizquelle zu regeln, die über der Schmelze angeordnet ist. Der Verlauf der Ziehgeschwindigkeit wird in Kenntnis der thermischen Verhältnisse beim Ziehen des zylindrischen Teils des Einkristalls derart gewählt, dass der Quotient vp/G von Ziehgeschwindigkeit vp und axialem Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem wachsenden Einkristall, der maßgeblich die Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte abbildet, in einem vorgesehenen Wertebereich bleibt. Störungen, die sich in Abweichungen von einem Solldurchmesser manifestieren, kann durch die Regelung mittels der Heizquelle entgegengewirkt werden. In US 2011/0126757 A1 it is proposed to pull the cylindrical part of a single crystal made of semiconductor material at a predetermined pulling speed and to regulate the diameter of the cylindrical part by means of the heating power of a heating source which is arranged above the melt. The course of the pulling speed is chosen with knowledge of the thermal conditions when pulling the cylindrical part of the single crystal in such a way that the quotient v p / G of pulling speed v p and axial temperature gradient G at the phase boundary between the melt and the growing single crystal, which is decisive for the defect distribution maps intrinsic point defects, remains in a specified range of values. Faults that manifest themselves in deviations from a target diameter can be counteracted by regulation using the heating source.
Die Ziehgeschwindigkeit vp steht im oben erwähnten Quotienten jedoch nur näherungsweise für die Kristallisationsgeschwindigkeit v, mit der der Einkristall wächst. Und diese Näherung ist besonders in der Phase des Übergangs vom The pulling speed v p in the quotient mentioned above is only an approximation for the crystallization speed v at which the single crystal grows. And this approximation is especially important in the transition from
Anfangskonus zum zylindrischen Abschnitt vergleichsweise ungenau. Die The initial cone to the cylindrical section is comparatively imprecise. The
Kristallisationsgeschwindigkeit v wird in dieser Phase insbesondere durch Crystallization rate v is in particular through in this phase
Temperaturschwankungen in der Schmelze beeinflusst. Das führt oft dazu, dass sich das dynamische Gleichgewicht mit einem angestrebten Quotienten v/G durch Influenced temperature fluctuations in the melt. This often leads to the dynamic equilibrium being achieved with a desired quotient v / G
Vorgabe des Quotienten vp/G nicht schon am Anfang des Ziehens des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls realisieren lässt. Die Folge davon ist ein Ausbeuteverlust, weil ein erster Teil des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls nicht die gewünschten Materialeigenschaften bezüglich der Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte hat. The specification of the quotient v p / G cannot be realized at the beginning of the pulling of the cylindrical section of the single crystal. The consequence of this is a loss of yield because a first part of the cylindrical section of the single crystal does not have the desired material properties with regard to the defect distribution of intrinsic point defects.
Das Verfahren gemäß WO 2018/069051 A1 sieht vor, beim Ziehen des Anfangskonus die Ziehgeschwindigkeit vp und die Heizleistung der Heizquelle, die über der The method according to WO 2018/069051 A1 provides, when pulling the initial cone, the pulling speed v p and the heating power of the heating source, which is above the
Schmelze angeordnet ist, iterativ vorauszubestimmen. Dieses Verfahren ist aber vergleichsweise anfällig für Störungen. Melt is arranged to predetermine iteratively. However, this method is comparatively prone to interference.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den erwähnten Ausbeuteverlust durch Bereitstellen eines vergleichsweise robusten Verfahrens wirksam einzuschränken. The object of the present invention is to effectively limit the mentioned loss of yield by providing a comparatively robust method.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Ziehen eines The object of the invention is achieved by a method for drawing a
Einkristalls aus Silizium gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze, umfassend das Ziehen von mindestens einem Endabschnitt eines Anfangskonus und eines zylindrischen Abschnitts des Einkristalls mit einer Ziehgeschwindigkeit, die einem vorgegebenen Verlauf folgt und das wiederholte Durchführen der folgenden Schritte a) bis c) im Zuge einer Regelung des Durchmessers des Endabschnitts des Single crystal of silicon according to the Czochralski method from a melt, comprising pulling at least one end section of an initial cone and a cylindrical section of the single crystal at a pulling speed that follows a predetermined course and repeatedly performing the following steps a) to c) in the course of regulating the diameter of the end section of the
Anfangskonus und des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls: Initial cone and the cylindrical section of the single crystal:
a) das Messen eines aktuellen Durchmessers des Einkristalls; a) measuring an actual diameter of the single crystal;
b) das Feststellen der Abweichung des aktuellen Durchmessers von einem b) determining the deviation of the current diameter from one
Solldurchmesser des Einkristalls; und Target diameter of the single crystal; and
c) das Verwenden der Heizleistung einer ringförmigen Widerstandsheizung, die einen Durchmesser aufweist, der größer ist, als der aktuelle Durchmesser des Einkristalls, und die konzentrisch zum Anfangskonus über der Schmelze angeordnet ist, als Regelgröße zur Regelung des Durchmessers des Einkristalls hin zum c) using the heating power of a ring-shaped resistance heater, which has a diameter which is larger than the current diameter of the single crystal and which is arranged concentrically to the initial cone above the melt, as a control variable for controlling the diameter of the single crystal
Solldurchmesser des Einkristalls. Target diameter of the single crystal.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass noch während des Ziehens des The inventors have found that while the
Anfangskonus eine Regelung des Durchmessers erfolgen muss, die möglichst wenig Einfluss auf den Quotienten v/G nimmt. So lässt es sich einrichten, dass die At the beginning of the cone, the diameter must be regulated which has as little influence as possible on the quotient v / G. So it can be arranged that the
Abweichung zwischen der vorgegebenen Ziehgeschwindigkeit vp und der Deviation between the specified pulling speed v p and the
Kristallisationsgeschwindigkeit v ausreichend klein bleibt, damit die erwähnten Crystallization rate v remains sufficiently small that the mentioned
Ausbeuteverluste vermieden werden können. Es genügt offenbar nicht, die Regelung des Durchmessers in der beschriebenen Weise erst mit dem Ziehen des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls zu beginnen. Es muss vielmehr darauf geachtet werden, dass mit dieser Regelung begonnen wird, bevor der zylindrische Abschnitt des Einkristalls gezogen wird. Besonders bevorzugt ist es, mit der Regelung des Loss of yield can be avoided. Obviously, it is not sufficient to begin regulating the diameter in the manner described only with the pulling of the cylindrical section of the single crystal. Rather, it must be ensured that this regulation is started before the cylindrical section of the single crystal is pulled. It is particularly preferred to control the
Durchmessers des Einkristalls mittels der ringförmigen Widerstandsheizung zu beginnen, solange noch mindestens 15 mm Länge des Anfangskonus zu ziehen sind. Wird erfindungsgemäß vorgegangen, kann eine gewünschte Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte im zylindrischen Abschnitt ohne oder mit nur geringfügigem Ausbeuteverlust erreicht werden. Diameter of the single crystal by means of the ring-shaped resistance heating, as long as at least 15 mm length of the initial cone remains to be drawn. If one proceeds according to the invention, a desired defect distribution of intrinsic point defects in the cylindrical section can be achieved with no or only a slight loss of yield.
Der Verlauf der Ziehgeschwindigkeit wird in Abhängigkeit der gewünschten The course of the drawing speed is dependent on the desired
Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte vorgegeben und dabei die bekannte Tatsache berücksichtigt, dass das Verhältnis von Ziehgeschwindigkeit und axialem Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem Einkristall diese Defektverteilung maßgeblich beeinflusst. Darüber hinaus ist bevorzugt, den Einfluss von Spannungsfeldern im Einkristall auf Punktdefekte und deren Bewegung zu berücksichtigen, ebenso wie den von Temperaturfeldern im Einkristall auf die radiale Diffusion von Punktdefekten. Wie das geschehen kann, ist beispielsweise in US 2008/0187736 A1 beschrieben. Der radiale Verlauf des axialen Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem Einkristall während des Ziehens des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls wird vorab vorzugsweise mittels Simulationsrechnungen ermittelt. Defect distribution of intrinsic point defects given, taking into account the known fact that the ratio of pulling speed and axial Temperature gradients G at the phase boundary between the melt and the single crystal significantly influence this defect distribution. In addition, it is preferred to take into account the influence of stress fields in the single crystal on point defects and their movement, as well as that of temperature fields in the single crystal on the radial diffusion of point defects. How this can be done is described in US 2008/0187736 A1, for example. The radial profile of the axial temperature gradient G at the phase boundary between the melt and the single crystal during the pulling of the cylindrical section of the single crystal is determined in advance, preferably by means of simulation calculations.
Zur Regelung des Durchmessers des Einkristalls während des Ziehens zumindest eines Endabschnitts des Anfangskonus des Einkristalls und während des Ziehens des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls wird ein Regelkreis (feedback control) eingerichtet, mit einem vorgegebenen Solldurchmesser als Führungsgröße, dem aktuellen Durchmesser als Regelgröße und der Heizleistung der ringförmigen To regulate the diameter of the single crystal during the pulling of at least one end section of the initial cone of the single crystal and during the pulling of the cylindrical section of the single crystal, a feedback control is set up, with a specified target diameter as the reference variable, the current diameter as the controlled variable and the heating power of the annular
Widerstandsheizung als Stellgröße. Die Heizleistung einer Hauptheizquelle zum Erhitzen des Tiegels von der Seite folgt einem vorgegebenen Verlauf und wird vorzugsweise bei Bedarf nachgeregelt, um die ringförmige Widerstandsheizung zu entlasten. Der Durchmesser eines ersten Teils des Anfangskonus wird bis zum Endabschnitt des Anfangskonus vorzugsweise mit der Ziehgeschwindigkeit vp als Stellgröße geregelt. Resistance heating as a manipulated variable. The heating power of a main heating source for heating the crucible from the side follows a predetermined profile and is preferably readjusted if necessary in order to relieve the annular resistance heating. The diameter of a first part of the initial cone is regulated up to the end section of the initial cone, preferably with the drawing speed v p as the manipulated variable.
Zur Messung des aktuellen Durchmessers (Istdurchmesser) des Einkristalls werden vorzugsweise Bilder eines Kamerasystems mittels automatischer Bilderverarbeitung ausgewertet, die den hellen Ring abbilden, der auf der Schmelze um den To measure the current diameter (actual diameter) of the single crystal, images from a camera system are preferably evaluated by means of automatic image processing, which depict the bright ring that is on the melt around the
wachsenden Einkristall herum zu sehen ist. Ausgehend vom Durchmesser des hellen Rings kann auf den Durchmesser des Einkristalls geschlossen werden. Grundsätzlich kann jedes bekannte Verfahren zur Messung des aktuellen Durchmessers verwendet werden. Der Regler eines erfindungsgmäßen Regelkreises wird als PID-Regler, vorzugsweise als PD-Regler ausgelegt. can be seen growing single crystal around. The diameter of the single crystal can be deduced from the diameter of the bright ring. In principle, any known method for measuring the current diameter can be used. The controller of a control loop according to the invention is designed as a PID controller, preferably as a PD controller.
Eine gewünschte Defektverteilung intrinsischer Punktdefekte umfasst vorzugsweise eine Verteilung, in der solche Punktdefekte im Einkristall zwar vorhanden sind, aber nur in einer Menge unterhalb einer Konzentration, bei der sie in einem agglomerierten Zustand vorliegen. Beim Vorliegen der bevorzugten Verteilung sind insbesondere Agglomerate in Form von COP-Defekten (crystal originated particles), OSF-Defeken (oxidation induced stacking faults), B-Band Defekten und Lpit-Defekten (large pits) nicht nachweisbar. Vorzugsweise sind die intrinsischen Punktdefekte so verteilt, dass vom zylindrischen Abschnitt des Einkristalls erhaltene Halbleiterscheiben aus Silizium entweder nur Silizium-Zwischengitteratome (interstitials) oder nur Leerstellen A desired defect distribution of intrinsic point defects preferably comprises a distribution in which such point defects are indeed present in the single crystal, but only in an amount below a concentration at which they are in an agglomerated state. When the preferred distribution is present, agglomerates in particular in the form of COP defects (crystal originated particles), OSF defects (oxidation induced stacking faults), B-band defects and Lpit defects (large pits) cannot be detected. The intrinsic point defects are preferably distributed in such a way that semiconductor wafers made of silicon obtained from the cylindrical section of the single crystal either only have silicon interstitials or only vacancies
(vacancies) als Punktdefekte enthalten, aber keine nachweisbaren Agglomerate davon mit einer Größe von größer als 5 nm. Dementsprechend wird der Verlauf der Ziehgeschwindigkeit vp vorzugsweise derart vorgegeben, dass die Konzentrationen von Leerstellen und Silizium-Zwischengitteratomen unter kritischen Konzentrationen bleiben. Die kritischen Konzentrationen lassen sich durch Vergleich mit dem Auftreten von größeren Agglomeraten ermitteln. (vacancies) as point defects, but no detectable agglomerates thereof with a size greater than 5 nm. Accordingly, the course of the pulling speed v p is preferably specified such that the concentrations of vacancies and silicon interstitials remain below critical concentrations. The critical concentrations can be determined by comparison with the occurrence of larger agglomerates.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezogener Einkristall aus Silizium hat vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 300 mm. A silicon single crystal pulled by the method according to the invention preferably has a diameter of at least 300 mm.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen weiter beschrieben. The invention is further described below with reference to drawings.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium nach der CZ- Methode. 1 shows an apparatus for pulling a single crystal made of silicon according to the CZ method.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Abweichung der Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Position im Einkristall in Folge zweier Sprünge der Ziehgeschwindigkeit. FIG. 2 shows the course of the deviation in the pulling speed as a function of the position in the single crystal as a result of two jumps in the pulling speed.
Fig. 3 zeigt die Veränderung der Konzentration von Punktdefekten im Einkristall als Folge der in Fig.2 gezeigten Sprünge. Fig. 4 zeigt den Verlauf der Ziehgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Kristallposition bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und bei Anwendung einer nicht erfindungsgemäßen Regelung des Durchmessers des Einkristalls. Fig. 5 zeigt den Verlauf der Abweichung des Durchmessers eines Einkristalls von einem Solldurchmesser in Abhängigkeit der Position im Einkristall bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und bei Anwendung eines nicht erfindungsgemäßen Gegenbeispiels. Liste der verwendeten Bezugszeichen FIG. 3 shows the change in the concentration of point defects in the single crystal as a result of the cracks shown in FIG. 4 shows the course of the pulling speed as a function of the crystal position when using a method according to the invention and when using a regulation of the diameter of the single crystal that is not according to the invention. 5 shows the course of the deviation of the diameter of a single crystal from a nominal diameter as a function of the position in the single crystal when using the method according to the invention and when using a counter-example not according to the invention. List of reference symbols used
1 Ziehkammer 1 drawing chamber
2 Tiegel 2 crucibles
3 Schmelze 3 melt
4 Kamerasystem 4 camera system
5 Einkristall 5 single crystal
6 Welle 6 wave
7 Widerstandsheizung 7 resistance heating
8 Ziehmechanismus 8 pulling mechanism
9 Hitzeschild 9 heat shield
10 ringförmige Widerstandsheizung 10 annular resistance heating
12 optische Achse 12 optical axis
Die Vorrichtung gemäß Fig.1 umfasst eine Ziehkammer 1 , in der ein Tiegel 2 zum Aufnehmen der Schmelze 3 untergebracht ist, und ein Kamerasystem 4 zum The device according to FIG. 1 comprises a pulling chamber 1, in which a crucible 2 for receiving the melt 3 is accommodated, and a camera system 4 for
Beobachten einer Phasengrenze zwischen der Schmelze 3 und eines wachsenden Einkristalls 5 entlang einer optischen Achse 12. Der Tiegel 2 wird von einer Welle 6 getragen, die angehoben, abgesenkt und gedreht werden kann. Um den Tiegel 2 herum ist eine Widerstandsheizung 7 angeordnet, mit deren Hilfe festes Silizium unter Bildung der Schmelze 3 geschmolzen wird. Der wachsende Einkristall 5 wird über einen Ziehmechanismus 8 aus der Schmelze gezogen. Über dem Tiegel 2 sind ein Hitzeschild 9 und eine ringförmige Widerstandsheizung 10 angeordnet, die den wachsenden Einkristall 5 umgeben. Über der Widerstandsheizung 10 kann eine Abschirmung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die den Wärmetransport nach oben einschränkt. Observation of a phase boundary between the melt 3 and a growing single crystal 5 along an optical axis 12. The crucible 2 is carried by a shaft 6 which can be raised, lowered and rotated. A resistance heater 7 is arranged around the crucible 2, with the aid of which solid silicon is melted to form the melt 3. The growing single crystal 5 is pulled from the melt via a pulling mechanism 8. A heat shield 9 and an annular resistance heater 10, which surround the growing single crystal 5, are arranged above the crucible 2. About the resistance heater 10 can a Shielding (not shown) may be provided which restricts the upward transport of heat.
Fig.2 und Fig.3 sollen verdeutlichen, wie Schwankungen der Ziehgeschwindigkeit vp die Konzentration C von Punktdefekten im Einkristall ändern können. In Fig.2 sind zwei Sprünge der Ziehgeschwindigkeit Dnr in Abhängigkeit der axialen Position P im Einkristall mit einem durchgezogen und einem gestrichelt gezeichneten Verlauf dargestellt. Die Position Po bezeichnet den Beginn des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls. Fig.3 zeigt die unmittelbare Auswirkung der Sprünge als signifikante Änderung der Konzentration von Punktdefekten AC. Es ist zu sehen, dass nach den Sprüngen ein erhebliches Maß an Kristalllänge gezogen werden muss, bevor FIG. 2 and FIG. 3 are intended to illustrate how fluctuations in the pulling speed v p can change the concentration C of point defects in the single crystal. In FIG. 2, two jumps in the pulling speed Dn r as a function of the axial position P in the single crystal are shown with a continuous curve and a dashed curve. The position Po denotes the beginning of the cylindrical section of the single crystal. FIG. 3 shows the direct effect of the jumps as a significant change in the concentration of point defects AC. It can be seen that after the cracks, a significant amount of crystal length must be drawn before
Konzentrationen an Punktdefekten erreicht werden, die vor den Sprüngen bestanden. Weil eine Regelung des Durchmessers des Einkristalls mittels der Concentrations of point defects can be achieved that existed before the cracks. Because a regulation of the diameter of the single crystal by means of the
Ziehgeschwindigkeit als Stellgröße naturgemäß solche Schwankungen der Draw speed as a manipulated variable naturally such fluctuations in the
Ziehgeschwindigkeit beinhaltet, kommt deren Verwendung ungeachtet von deren Vorteilen wegen der dargestellten Wirkung zumindest dann eher nicht in Betracht, wenn nicht nur der Durchmesser, sondern auch die Verteilung von Punktdefekten im Einkristall in vorgegebenen Bereichen bleiben sollen. Containing pulling speed, regardless of their advantages, their use is rather out of the question because of the effect shown, if not only the diameter but also the distribution of point defects in the single crystal are to remain in predetermined areas.
Der als Stand der Technik zu wertende Vorschlag, beim Ziehen des zylindrischen Teils des Einkristalls eine Regelung des Durchmessers des Einkristalls zu The proposal, which is to be assessed as the state of the art, of regulating the diameter of the single crystal when pulling the cylindrical part of the single crystal
implementieren, die die Fleizleistung einer ringförmigen, über der Schmelze implement the fuselage of an annular, above the melt
angeordneten Widerstandheizung als Stellgröße verwendet, kann Ausbeuteverluste nicht verhindern, die wegen der in Fig.3 dargestellten Wirkung auftreten. arranged resistance heating is used as a manipulated variable, cannot prevent yield losses that occur because of the effect shown in FIG.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, mit einer derartigen Regelung zu beginnen, bevor der Anfangskonus des Einkristalls fertiggezogen wurde. Der According to the invention, it is therefore proposed to begin with such a regulation before the initial cone of the single crystal has been completed. The
Unterschied ist in Fig.4 dargestellt. Im dargestellten erfindungsgemäßen Beispiel (durchgezogen gezeichnete Kurve) wird vor dem Erreichen der Kristall-Position Po, also während des Ziehens des Anfangskonus, von einer Regelung des Durchmessers mittels der Ziehgeschwindigkeit vp als Stellgröße auf eine Regelung mittels der Fleizleistung der ringförmigen Widerstandsheizung gewechselt und nach dem The difference is shown in Fig.4. In the example shown according to the invention (solid curve), before the crystal position Po is reached, i.e. during the drawing of the initial cone, there is a change from regulating the diameter by means of the drawing speed v p as the manipulated variable to regulating by means of the heating power of the annular resistance heater and after the
Wechsel die Ziehgeschwindigkeit vp entsprechend einer Vorgabe gesteuert, welche den Quotienten vp/G in einen vorgesehenen Wertebereich bringt. Im Gegensatz dazu bleiben gemäß dem Gegenbeispiel (gestrichelt gezeichnete Kurve) die Schwankungen der Ziehgeschwindigkeit wegen der Regelung mittels der Change the pulling speed v p controlled according to a specification which brings the quotient v p / G into a specified range of values. In contrast to remain according to the opposite example (dashed curve) the fluctuations in the drawing speed due to the control by means of the
Ziehgeschwindigkeit vp als Stellgröße bis zur Position Po im Einkristall bestehen, mit der in Fig.3 gezeigten Folge. Pull speed v p exist as a manipulated variable up to position Po in the single crystal, with the sequence shown in FIG.
Das erfindungsgemäße Vorgehen ist auch vorteilhaft hinsichtlich der Abweichung des Durchmessers des Einkristalls vom Solldurchmesser. In Fig.5 sind der The procedure according to the invention is also advantageous with regard to the deviation of the diameter of the single crystal from the nominal diameter. In Fig.5 are the
Solldurchmesser (durchgezogen gezeichnete Kurve) und die Durchmesser gemäß Beispiel (doppelt gestrichelt gezeichnete Kurve) und Gegenbeispiel (einfach gestrichelt gezeichnete Kurve) einander gegenübergestellt. Der Durchmesser ds bezeichnet den Solldurchmesser im zylindrischen Abschnitt des Einkristalls. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Abweichungen vom Nominal diameter (solid curve) and the diameter according to the example (curve drawn with double dashed lines) and counter-example (curve drawn with single dashed lines) are compared. The diameter d s designates the nominal diameter in the cylindrical section of the single crystal. When using the method according to the invention, the deviations from
Solldurchmesser bereits zu Beginn des Ziehens des zylindrischen Teils des Target diameter already at the beginning of the drawing of the cylindrical part of the
Einkristalls vergleichsweise gering. Single crystal comparatively low.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche The above description of exemplary embodiments is to be understood as exemplary. The disclosure thus made enables the person skilled in the art, on the one hand, to understand the present invention and the advantages associated therewith, and, on the other hand, also encompasses those which are obvious to the person skilled in the art
Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen sowie Äquivalente durch den Schutzbereich der Ansprüche abgedeckt sein. Changes and modifications to the structures and procedures described. Therefore, it is intended that all such changes and modifications, and equivalents, be covered by the scope of the claims.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium gemäß der Czochralski- Methode aus einer Schmelze, umfassend 1. A method for pulling a single crystal of silicon according to the Czochralski method from a melt, comprising
das Ziehen von mindestens einem Endabschnitt eines Anfangskonus und eines zylindrischen Abschnitts des Einkristalls mit einer Ziehgeschwindigkeit, die einem vorgegebenen Verlauf folgt und das wiederholte Durchführen der folgenden Schritte a) bis c) im Zuge einer Regelung des Durchmessers des Endabschnitts des pulling at least one end section of an initial cone and a cylindrical section of the single crystal at a pulling speed that follows a predetermined course and repeatedly performing the following steps a) to c) in the course of regulating the diameter of the end section of the
Anfangskonus und des zylindrischen Abschnitts des Einkristalls: Initial cone and the cylindrical section of the single crystal:
a) das Messen eines aktuellen Durchmessers des Einkristalls; a) measuring an actual diameter of the single crystal;
b) das Feststellen der Abweichung des aktuellen Durchmessers von einem b) determining the deviation of the current diameter from one
Solldurchmesser des Einkristalls; und Target diameter of the single crystal; and
c) das Verwenden der Heizleistung einer ringförmigen Widerstandsheizung, die einen Durchmesser aufweist, der größer ist, als der aktuelle Durchmesser des Einkristalls, und die konzentrisch zum Anfangskonus über der Schmelze angeordnet ist, als Regelgröße zur Regelung des Durchmessers des Einkristalls hin zum c) using the heating power of a ring-shaped resistance heater, which has a diameter which is larger than the current diameter of the single crystal and which is arranged concentrically to the initial cone above the melt, as a control variable for controlling the diameter of the single crystal
Solldurchmesser des Einkristalls. Target diameter of the single crystal.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , umfassend 2. The method of claim 1, comprising
das Beginnen der Regelung des Durchmessers des Anfangskonus des Einkristalls mit der Heizleistung der ringförmigen Widerstandsheizung als Stellgröße, solange noch mindestens 15 mm Länge des Anfangskonus zu ziehen sind. the beginning of the regulation of the diameter of the initial cone of the single crystal with the heating power of the ring-shaped resistance heating as the manipulated variable, as long as at least 15 mm length of the initial cone is to be drawn.
3. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend das Verwenden eines PD-Reglers zur Regelung des Durchmessers des Einkristalls mit der Heizleistung der ringförmigen Widerstandsheizung als Stellgröße. 3. The method according to claim 2, comprising the use of a PD controller for controlling the diameter of the single crystal with the heating power of the annular resistance heater as the manipulated variable.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend das Regeln des 4. The method of claim 1 or claim 2, comprising regulating the
Durchmessers eines ersten Teils des Anfangskonus bis zum Endabschnitt des Anfangskonus mit der Ziehgeschwindigkeit vp als Stellgröße. Diameter of a first part of the initial cone to the end section of the initial cone with the pulling speed v p as the manipulated variable.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die ringförmige Widerstandsheizung im Abstand von nicht weniger als 1 mm und nicht mehr als 200 mm über der Schmelze angeordnet ist. 5. The method according to claim 1 or claim 2, wherein the annular resistance heater is arranged at a distance of not less than 1 mm and not more than 200 mm above the melt.
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