DE3938937A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von siliciumstaeben mit hohem sauerstoffgehalt durch tiegelfreies zonenziehen, dadurch erhaeltliche siliciumstaebe und daraus hergestellte siliciumscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumstäben mit hohem Sauerstoffgehalt durch tiegelfreies Zonenziehen, bei dem mit Hilfe einer umgebenden Induktions­ heizspule zwischen einem Vorratsstab und einem Produktstab eine Schmelzzone erzeugt wird, die ausgehend vom Vorratsstab in einem Schmelzenhals das Innenloch der Spule durchläuft und sich dann zu einer den Produktstab überschichtenden Schmelzkuppe aufweitet, wobei die Schmelzzone mit Formteilen aus Quarz in Berührung gebracht wird, sowie dadurch erhält­ liche Siliciumstäbe und daraus hergestellte Siliciumschei­ ben, sowie weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei den Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauelemente mit hoher Packungsdichte aus Siliciumscheiben spielt der Sauerstoffgehalt des Siliciums eine immer wichtigere Rolle. Der Grund liegt darin, daß bei bestimmten Prozeßschritten immer häufiger auf die intrinsische Getterwirkung des Sauer­ stoffes zurückgegriffen wird. In der Mikroelektronik wird daher nahezu ausschließlich Silicium eingesetzt, das einen Mindestsauerstoffgehalt von etwa 10¹⁶ Atomen O/cm³ aufweist. Solches Silicium wird beim Tiegelziehen nach Czochralski erhalten, da im Verlauf des Ziehvorganges durch die Reaktion zwischen der Siliciumschmelze und dem Quarztiegel Sauerstoff in der Schmelze angereichert und in den wachsenden Kristall­ stab eingebaut wird. Überdies hat der eingebaute Sauerstoff auch einen gewissen Härtungseffekt.

Hingegen weist das durch tiegelloses Zonenziehen erhaltene Silicium wegen des fehlenden Kontaktes Siliciumschmel­ ze/Quarztiegel einen deutlich niedrigeren Sauerstoffgehalt von typisch etwa 10¹⁵ bis 10¹⁶ Atomen O/cm³ Si auf. Dafür zeichnet es sich aber im Vergleich zu tiegelgezogenem Material durch höhere Reinheit und eine höhere Lebensdauer der Minoritätsträger aus sowie dadurch, daß sich besonders hohe Widerstände erzielen lassen. Haupteinsatzgebiet des Zonenmaterials ist daher der Bereich der Herstellung von Leistungsbauelementen.

Bisher wurden viele Versuche unternommen, um auch auf dem Wege des Zonenziehens zu Siliciumkristallen mit höherem Sauerstoffgehalt zu gelangen und auf diese Weise die Vortei­ le des Zonen- mit denen des Tiegelmaterials zu verbinden. Beispielsweise wird gemäß der DE-A-33 33 960 bzw. der ent­ sprechenden US-PS 47 22 764 anstelle eines durch Gasphasen­ abscheidung von polykristallinem Silicium hergestellten Vorratsstabes ein tiegelgezogener und daher einen erhöhten Sauerstoffgehalt aufweisender polykristalliner Vorratsstab eingesetzt. Das erhaltene Material hat jedoch wegen des Tiegelziehschrittes einen erhöhten Verunreinigungspegel und verliert überdies durch Entgasen während des Zonenzieh­ schrittes einen Teil des Sauerstoffes.

Bei dem Verfahren gemäß der EP-A-54 657 wird in der Zonen­ ziehapparatur eine Sauerstoffatmosphäre eingestellt. Dabei ist es jedoch schwierig, die Strömung des Sauerstoffes so einzustellen, daß über die gesamte Stablänge ein konstanter Sauerstoffgehalt erreicht wird, zumal die mit der Längenän­ derung von Vorrats- und Produktstab sich verändernde Kon­ vektionsströmung im Rezipienten zu Störungen führen kann.

In der EP-A-1 40 239 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Quarzstab an den von der Spule umgebenen Schmelzenhals der Schmelzzone herangeführt und dort in die Schmelze einge­ taucht wird, wobei er sich allmählich auflöst und so Sauer­ stoff und gegebenenfalls auch andere Dotierstoffe an das Silicium abgibt. Dieses Verfahren führt jedoch nur bei Stäben mit geringen Stabdurchmessern zum Einbau von Sauer­ stoff in den Tiegelmaterial entsprechenden Konzentrationsbe­ reichen. Bei größeren Stabdurchmessern ab etwa 75 mm mit entsprechend größerer freier Schmelzenoberfläche lassen sich jedoch mit dieser Methode derartige hohe Einbauraten nicht mehr erzielen. Außerdem besteht die Gefahr, daß an der Eintauchstelle des Stabes durch die Wärmeabfuhr Silicium auszukristallisieren beginnt, die gebildeten Kristallite sich ablösen und auf der Schmelzenoberfläche an die Grenz­ fläche zum Produktstab schwimmen, wo sie die Bildung von Versetzungen verursachen können. Der Ziehvorgang muß dann abgebrochen werden, da nur versetzungsfreie Siliciumeinkri­ stallstäbe für die Weiterverarbeitung zu Siliciumscheiben geeignet sind.

Die Aufgabe der Erfindung lag daher darin, ein Verfahren anzugeben, nach dem sich diese Nachteile vermeiden lassen und welches es insbesondere ermöglicht, den Sauerstoff im gesamten Kristallstab homogen verteilt einzubauen, ohne daß es zur Ausbildung von Versetzungen kommt, sowie Stäbe mit Durchmessern ab etwa 75 mm mit tiegelgezogenem Material vergleichbaren Sauerstoffgehalten durch Zonenziehen zu erhalten.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß während des Ziehvorganges Flächenge­ bilde aus Quarz mit der Schmelzkuppe in Kontakt gebracht werden.

Durch den flächenhaften Kontakt zwischen Quarzformkörper und Schmelzkuppe wird der gezielte Einbau von Sauerstoff bis in hohe Konzentrationsbereiche ermöglicht, wobei gleichzeitig ein zusätzlicher Abdeckungseffekt eintritt, der das Aus­ dampfen des Sauerstoffes als Siliciummonoxid verringert. Durch Variation der Größe der Kontaktfläche kann dabei die Einbaurate beeinflußt werden. Der Vorteil bei dem Verfahren liegt darin, daß eine Vergrößerung der Kontaktfläche jeweils mit einer Verkleinerung der freien Schmelzenoberfläche und eine Verkleinerung der Kontaktfläche entsprechend mit einer Vergrößerung der freien Schmelzenoberfläche einhergeht, so daß jeweils Einbau- und Entgasungseffekt in günstiger Weise zusammenwirken. Überraschend wurde weiterhin gefunden, daß bei derartigen flächenhaften Kontakten zwischen Quarzform­ körpern und Schmelzkuppe die Tendenz zur Ausbildung von Versetzungen verursachenden Kristalliten gegenüber der Einführung von Quarzstäben in den Schmelzenhals trotz der größeren Kontaktfläche deutlich geringer ist.

Zweckmäßig werden die Flächengebilde in einer Form einge­ setzt, die eine bezüglich der Längsachse des Produktstabes rotationssymmetrische Anordnung der mit der Schmelzkuppe in Kontakt kommenden Bereiche ergibt. Bei aus mehreren einzel­ nen Teilen sich zusammensetzenden und/oder polygonalen Anordnungen hat sich dabei eine zwei- bis zehnzählige Symme­ trie bewährt. Bevorzugt werden die Flächengebilde jedoch in Form von in sich geschlossenen oder aus zwei oder mehreren Einzelteilen zusammensetzbaren Kreisringen vorgesehen, deren Innendurchmesser vorteilhaft größer ist als der Durchmesser des Schmelzenhalses, während der Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des in der Regel einkristallinen Produktstabes.

Über das Verhältnis von freier Schmelzenoberfläche zu der von den Flächengebilden aus Quarz abgedeckten Schmelzenober­ fläche kann dann die Einbaurate des Sauerstoffes beeinflußt werden. Als Faustregel kann festgehalten werden, daß der erzielte Sauerstoffgehalt in etwa dem von tiegelgezogenem Silicium entspricht, wenn das Verhältnis von freier Schmel­ zenoberfläche zu bedeckter, mit Quarz in Kontakt kommenden Schmelzenoberfläche der Schmelzkuppe bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren in etwa dem beim Tiegelziehprozeß vorliegen­ den Verhältnis von freier Schmelzenoberfläche und mit der Tiegelwandung in Kontakt kommender Schmelzenoberfläche entspricht. Während sich beim Tiegelziehprozeß wegen des absinkenden Schmelzenniveaus dieses Verhältnis und damit der Sauerstoffeinbau im Verlauf des Ziehvorganges dauernd ändert, bleibt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen konstant, so daß auch ein über die gesamte Stablänge im wesentlichen konstanter Sauerstoffeinbau erzielt werden kann. Vorteilhaft werden die Flächengebilde aus Quarz so dimensioniert, daß das Verhältnis zwischen freier und bedeckter Oberfläche der Schmelzkuppe, wenn man die zusätzliche durch den Schmelzenhals geschaffene freie Oberfläche unberücksichtigt läßt, etwa 1 : 15 bis 10 : 1 ist.

Die Einbaurate des Sauerstoffes kann auch dadurch weiter erhöht werden, daß die von geschmolzenem Silicium benetzte Oberfläche der Flächengebilde vergrößert wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die mit der Schmelze in Kontakt kommende Oberfläche der Flächengebilde mit die Kontaktfläche vergrößernden Elementen, z. B. Ausnehmungen oder Vorsprüngen wie Rillen, Gräben oder Stegen versehen werden. Im Grenzfall können sogar neben den abdeckenden zusätzliche, vollständig in die Schmelzkuppe eintauchende Flächengebilde vorgesehen werden, die mit den hauptsächlich abdeckend wirkenden Flächengebilden verbunden oder auch von diesen unabhängig sein können. Ein mögliches Beispiel für eine solche Anord­ nung sind parallel übereinander liegende, gegebenenfalls über Distanzelemente wie Zapfen oder Stege miteinander verbundene Quarzringe, von denen in der Arbeitsstellung der untere vollständig in die Schmelze eintaucht, während der andere auf der Schmelzkuppe aufliegt und deren Oberfläche abdeckt. Damit steht beim Ziehvorgang einerseits eine gegen­ über einem Einzelring deutlich vergrößerte von der Silicium­ schmelze benetzte Quarzoberfläche zur Verfügung, andererseits auch eine große die Schmelzkuppe bedeckende Quarzfläche.

Bei Stabdurchmessern von etwa 100 mm hat sich beispielsweise der Einsatz von einzelnen kreisrunden Quarzringen bewährt, deren Innendurchmesser bei etwa 20 bis 50 mm und deren Außendurchmesser bei etwa 50 bis 90 mm liegt. Allgemein wurden bei derartigen Kreisringen mit Innendurchmessern, die etwa das 0,2- bis 0,5-fache des Durchmessers des Produkt­ stabes betragen, und mit Außendurchmesser, die etwa dem 0,5- bis 0,9-fachen dieses Wertes entsprechen, besonders gute Ergebnisse erzielt. Diese Werte sind jedoch nur als Richt­ werte, nicht aber im Sinne einer Beschränkung zu verstehen.

Da die Flächengebilde während des Ziehvorganges durch die Reaktion des Quarz mit der Siliciumschmelze angegriffen werden und auch ein gewisser Materialabtrag stattfindet, werden sie zweckmäßig in einer Stärke vorgesehen, die auch am Ende des Ziehvorganges trotz des Abtrages eine ausrei­ chende mechanische Stabilität gewährleistet, um sie wieder von der Schmelze trennen zu können. Bewährt hat sich eine Dicke der Flächengebilde von ca. 1 bis 5, insbesondere 1 bis 2 mm, wobei die grundsätzlich möglichen Untergrenzen durch die erforderliche mechanische Stabilität, die Obergrenzen durch das Wärmeabführungsverhalten und den verfügbaren Platz bestimmt sind.

In den Fällen, in denen nur das Einbringen von Sauerstoff in den Produktstab gewünscht ist, werden die Flächengebilde aus hochreinem Quarz gefertigt, wobei in der Regel Quarzglas eingesetzt wird und Verunreinigungspegel von höchstens ca. 35 Gew.-ppm angestrebt werden, beispielsweise was den Gehalt an Metallen wie Eisen, Nickel oder Kupfer und/oder insbeson­ dere an dotierend wirkenden Verunreinigungen wie z. B. Bor, Phosphor oder dem beim Zonenziehen oft besonders problemati­ schen Aluminium betrifft. Eine gegebenenfalls erforderliche Dotierung des Siliciums kann dabei in der bekannten Art z. B. durch Zufuhr der Dotierstoffe über die Gasphase erfolgen.

Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Flächengebilde aus zusätzlich Dotierstoffe enthaltendem Quarz einzusetzen. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für solche Dotier­ stoffe, die sich über die Gasphase nur schwer in zonengezo­ genes Silicium einbauen lassen, wie etwa Indium. Gegebenenfalls kann auch auf ein kombiniertes Verfahren zurückgegriffen werden, bei dem die Dotierstoffe sowohl über die Gasphase als auch über die Flächengebilde zugeführt werden.

Der eigentliche Zonenziehprozeß kann in der bekannten Weise durchgeführt werden, wie er beispielsweise in der eingangs genannten Patentliteratur oder in W. Dietze, W. Keller, A. Mühlbauer, "Float Zone Grown Silicon" in "Crystals" Vol. 5 (1981), Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York erläutert ist. Zweckmäßig wird die einleitende Phase, in welcher der Impfkristall angesetzt und der Durchmesser des anwachsenden Einkristalles nach und nach vergrößert wird, noch durchge­ führt, ohne daß die Schmelzkuppe in Kontakt mit dem bzw. den Flächengebilden aus Quarz gebracht ist. Diese können dabei in einer Ruhestellung gehalten werden, die bei einteiligen Ringen vorteilhaft unterhalb der Unterseite der Heizspule konzentrisch mit dieser und oberhalb der Schmelzkuppe liegt. Für mehrteilige oder nicht in sich geschlossene Anordnungen kann beispielsweise auch eine Ruhestellung vorgesehen sein, in die sie von der Mittelachse des Systems weg nach außen in Richtung Behälterwandung gefahren oder geschwenkt werden.

Die erforderlichen Bewegungen der Flächengebilde lassen sich beispielsweise über geeignete Manipulatoren steuern, mit denen die Flächengebilde z. B. über angeschmolzene Ansatz­ stücke bzw. Hebel verbunden sein können. Als Bewegungen kommen Hebe- und Absenkbewegungen in Frage, denen gegebenen­ falls auch translatorische Bewegungen in horizontaler Rich­ tung überlagert sein können.

Wenn der vorgesehene Durchmesser des Produktstabes erreicht ist, werden die Flächengebilde aus der Ruhestellung in die Arbeitsstellung gebracht, in der sie in Kontakt mit der Schmelzkuppe sind. In der Regel ist es dabei ausreichend, wenn die Flächengebilde leicht mit der Schmelzkuppenoberflä­ che in Berührung gebracht werden, woraufhin nach kurzer Zeit eine Benetzung mit schmelzflüssigem Silicium erfolgt. Die Eintauchtiefe beträgt vorteilhaft etwa 200 bis 500 µm. Das In-Kontakt-Bringen erfolgt zweckmäßig vorsichtig und lang­ sam, um die Strömungsverhältnisse in der Schmelze nicht ab­ rupt zu verändern und zu verhindern, daß es durch plötzliche Wärmeverluste zum Kristallisieren von Silicium an den Flächengebilden kommt. Grundsätzlich kann die Eintauchtiefe so weit gesteigert werden, daß die Flächengebilde vollstän­ dig in die Schmelzkuppe eintauchen. Der Vergrößerung der Kontaktfläche Quarz/Schmelze steht dann aber der Verlust der abdeckenden Wirkung der Flächengebilde gegenüber.

Wenn sich nach dem Auflegen der beispielsweise ringförmigen Flächengebilde auf die Schmelzkuppe die Schmelze thermisch wieder stabilisiert hat, kann der Ziehvorgang mit dem eigentlichen Stabziehen, bei dem ein in der Regel einkri­ stalliner Siliciumstab entsteht, fortgesetzt werden. Dieser Vorgang ist in der Figur schematisch dargestellt.

Die Figur zeigt den im allgemeinen aus polykristallinem Silicium bestehenden Vorratsstab 1, der an seinem unteren Ende in den von einer Induktionsheizspule 2 umgebenen Schmelzenhals 3 übergeht. Dieser erweitert sich zu der Schmelzkuppe 4, die den in der Regel einkristallinen Produktstab 5 überwölbt. Der Kristall wächst an der Kristal­ lisationsfront 6. Auf den nahezu waagerecht verlaufenden Oberflächenbereich der Schmelzkuppe 4 ist als bevorzugte Ausführungsform der Flächengebilde aus Quarz ein flacher Quarzring 7 aufgelegt, der mit Hilfe eines angeschmolzenen Quarzhebels 8 gehoben und abgesenkt werden kann.

Da der Quarzring von der Siliciumschmelze benetzt wird, kann es im Verlauf des Ziehvorganges bisweilen zu leichten Ver­ formungen kommen, die sich im allgemeinen jedoch nicht nachteilig auswirken. Auch der Materialabtrag kann bei größeren Stablängen und dementsprechend langen Ziehvorgängen sichtbare Beträge erreichen. Ungeachtet dessen können beim Ziehen die üblichen Verfahrensparameter, z. B. bezüglich der Drehung des Vorrats- und Produktstabes eingehalten werden, wobei grundsätzlich auch mit wechselnden Drehrichtungen gearbeitet werden kann. Wenn ein hoher Sauerstoffeinbau angestrebt wird, haben sich hohe Drehzahlen des Produktsta­ bes bewährt, da durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Schmelzenoberfläche eine hohe Abtrags- und damit Einbaurate gewährleistet werden kann.

Wenn die vorgesehene Stablänge erreicht ist, werden die Flächengebilde, im vorliegenden Fall also der Quarzring, von der Schmelzkuppe abgehoben, und der Ziehvorgang in der üblichen Weise beendet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, zonengezoge­ ne Siliciumstäbe mit Durchmessern ab ca. 75 mm und insbeson­ dere von 100 mm und größer herzustellen, welche sich durch die für zonengezogenes Material typischen hohen Reinheits-, Widerstands- und Lebensdauerwerte auszeichnen, während sie gleichzeitig Sauerstoffgehalte von mindestens ca. 5×10¹⁶ Atomen O/cm³ Si, typisch im Bereich von 5×10¹⁶ bis 10¹⁸ Atomen O/cm³ Si aufweisen, wie sie für tiegelgezogenes Material charakteristisch sind. Diese Werte lassen sich mit Hilfe von Infrarotabsorptionsmessungen (vgl. z. B. ASTM-Norm F120 und F121) feststellen. Das gleiche gilt für die aus diesen Stäben nach der üblichen Weiterverarbeitung, welche in der Regel zumindest einen Sägeschritt, sowie meist einen nachfolgenden Läppvorgang und gegebenenfalls einen Polier­ schritt umfaßt, hergestellten Siliciumscheiben, die übli­ cherweise in gesägter, geläppter oder polierter Form an den Kunden ausgeliefert werden. Das zonengezogene Material besitzt dabei ein gegenüber tiegelgezogenem Silicium deut­ lich niedrigeres Verunreinigungsniveau, insbesondere was den Dotierstoffgehalt und hauptsächlich den Bor-, Phosphor- und Aluminiumgehalt anbetrifft, der bei letzterem typisch bei 1- 2×10¹³/cm³ liegt, während er bei ersterem typisch etwa 1- 2×10¹²/cm³ beträgt. Diese Werte lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Photolumineszenzuntersuchungen (vgl. hierzu z. B. P. M. Colley u. E. C. Lightowlers, Semicond. Sci. Technol. Band 2, S. 157, 1987) ermitteln.

Auch die mikroskopische Variation der Dotierstoff- bzw. Verunreinigungsverteilung, die sich beispielsweise mit Hilfe der sog. "spreading resistance"-Meßmethode (vgl. hierzu z. B. die ASTM-Vorschrift F525 (1977)) durch Ermittlung der Profile des Ausbreitungswiderstandes feststellen läßt, zeigt die für zonengezogenes Material typischen "striations", die in tiegelgezogenem Material weniger ausgeprägt zu beobachten sind. Umgekehrt zeichnen sich die Stäbe durch die für zonen­ gezogenes Silicium typische ebene axiale Widerstandsvertei­ lung aus, während tiegelgezogene Stäbe eine deutliche axiale Variation dieses Parameters zeigen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden damit Siliciumstäbe und Siliciumscheiben mit Durchmessern oberhalb ca. 75 mm und insbesondere von ca. 100 mm und darüber zugänglich, die die Reinheitsvorteile von zonengezogenem und die auf dem erhöhten Sauerstoffgehalt beruhenden Vorteile von tiegelgezogenem Material in sich vereinen.

Nachstehend wird das Verfahren an Hand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert:

Beispiel 1

Eine handelsübliche Anordnung zum tiegellosen Zonenziehen von Siliciumeinkristallen mit Durchmessern bis zu etwa 100 mm war zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend umgerüstet worden. Zu diesem Zweck war unter­ halb der flachen Unterseite der einwindigen Heizspule ein konzentrisch und parallel zu dieser angeordneter, ca. 1 mm dicker ebener Ring aus hochreinem Quarzglas (Innendurchmes­ ser ca. 40 mm, Außendurchmesser ca. 60 mm, Borgehalt unter ca. 2 Gew.-ppm, Phosphorgehalt unter ca. 3 Gew.-ppm, Alumi­ niumgehalt ca. 20 Gew.-ppm) vorgesehen, an den analog zu der in der Figur gezeigten Anordnung ein Quarzstab angeschmolzen war. Dieser war mit einem in die Wandung des Rezipienten eingelassenen Manipulator verbunden, mit dessen Hilfe der Quarzring abgesenkt und wieder nach oben gefahren werden konnte. In Ruhestellung befand sich der Quarzring dicht unterhalb der Spulenunterseite.

In der Anfangsphase des Ziehvorganges, in der der Impfkri­ stall an den polykristallinen Vorratsstab angesetzt und das sich konusförmig erweiternde Anfangsstück des Produktstabes gezogen wurde, wurde der Quarzring in der Ruhestellung belassen. Bei Erreichen des vorgesehenen Stabdurchmessers von ca. 75 mm, d. h. zu Beginn des eigentlichen Stabziehens, wurde der Quarzring allmählich abgesenkt, bis seine gesamte Unterseite in Kontakt mit der Schmelzkuppenoberfläche gekom­ men war. Nun konnte, nachdem sich die Schmelzzone erneut stabilisiert hatte, der Einkristall gezogen werden. In der üblichen Weise wurde dabei eine gegenläufige Drehung von Vorrats- und Produktstab eingestellt. Im Rezipienten lag eine Argon-Atmosphäre vor; Dotiergas wurde nicht zugeführt. Unter diesen Bedingungen wurde ein Stab mit etwa 30 cm Länge gezogen.

Danach wurde der Quarzring von der Schmelzkuppe abgehoben und in die Ruhestellung zurückgefahren. Nun konnte der Produktstab vom Vorratsstab getrennt und schließlich entnom­ men werden.

Mit Hilfe der Methode der Photolumineszenz wurde der Bor-, Phosphor- und Aluminiumgehalt an beiden Stabenden bestimmt. Am dem Impfkristall zugewandten Stabende betrugen die Werte (jeweils ausgedrückt als der dem gemessenen Anteil ent­ sprechende spezifische Widerstand) für Bor 3200 Ωcm und für Phosphor 1228 Ωcm, während der Wert für Aluminium unterhalb der Nachweisgrenze lag. Am dem Vorratsstab zugewandten Stabende wurden für Bor 3628 Ωcm, für Phosphor 2458 Ωcm und für Aluminium 2180 Ωcm gefunden.

Durch Infrarotabsorptionsmessung gemäß ASTM-Norm F120/F121 wurde der Sauerstoffgehalt an diesem Stabende zu 5.15×10¹⁷ Atomen O/cm³ Si ermittelt. Am anderen Stabende betrug dieser Wert 5.53×10¹⁷ Atome O/cm³ Si.

Beispiel 2

In der in Beispiel 1 angegebenen Anordnung und nach dem dort genannten Verfahren wurden drei versetzungsfreie Silicium­ einkristalle mit Durchmessern von ca. 104 mm und Stablängen von etwa 50-70 cm gezogen. Bei jedem Ziehvorgang kamen als Flächengebilde erneut Quarzringe zum Einsatz, deren Dicke jeweils 1 mm betrug, die aber unterschiedliche Innen- und Außendurchmesser besaßen. Die Ringe wurden jeweils nach dem Erreichen des Solldurchmessers aus der Ruhestellung auf die Schmelzkuppe abgesenkt und bis zum Erreichen der vorgesehe­ nen Stablänge dort in Kontakt mit der Schmelze belassen. Danach wurden sie abgehoben und wieder in die Ruhestellung gebracht, woraufhin der Ziehvorgang beendet wurde. An beiden Stabenden wurde dann mittels Infrarotabsorptionsmessungen gemäß ASTM-Norm F120/F121 die Sauerstoffkonzentration ermit­ telt. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle

Änderung der Sauerstoffkonzentration bei Änderung der Abmessungen der eingesetzten Quarzringe

Es wird deutlich, daß durch eine Vergrößerung der Fläche der Quarzringe auch der Anteil des in das Silicium eingebauten Sauerstoffes gesteigert werden kann. Außerdem zeigt sich eine gute axiale Konstanz der Sauerstoffkonzentration.

Vergleichsbeispiel:

Zum Vergleich wurde ein weiterer Siliciumstab mit etwa 75 mm Durchmesser gezogen, wobei jedoch beim Ziehvorgang keine Flächengebilde aus Quarz auf die Schmelzkuppe aufgelegt wurden, sondern ein Quarzstab (Durchmesser ca. 3 mm) in den Schmelzenhals eingeführt wurde. Ansonsten wurden die selben Ziehparameter wie in Beispiel 1 eingehalten.

Bei etwa 25 cm Stablänge wurde der Quarzstab aus dem Schmelzenhals entfernt und der Ziehvorgang beendet. Der nach der selben Methode wie in Beispiel 1 ermittelte Sauerstoff­ gehalt des auf diese Weise erhaltenen Siliciumstabes betrug am dem Impfkristall zugewandten Stabende 3×10¹⁶ Atome O/cm³ Si, am dem Vorratsstab zuwandten Stabende 4×10¹⁶ Atome O/cm³ Si.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumstäben mit hohem Sauerstoffgehalt durch tiegelfreies Zonenziehen, bei dem mit Hilfe einer umgebenden Induktionsheizspule zwischen einem Vorratsstab und einem Produktstab eine Schmelzzone erzeugt wird, die ausgehend vom Vorratsstab in einem Schmelzenhals das Innenloch der Spule durchläuft und sich dann zu einer den Produktstab überschichtenden Schmelzkuppe aufweitet, wobei die Schmelzzone mit Formteilen aus Quarz in Berührung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ziehvorganges Flächengebilde aus Quarz mit der Schmelzkuppe in Kontakt gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ringförmige Flächengebilde eingesetzt werden, deren Innendurchmesser größer ist als der Durchmesser des Schmelzenhalses und deren Außendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Produktstabes.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächengebilde in der Anfangsphase des Ziehvorganges nach Erreichen des vorgesehenen Durchmessers des Produktstabes mit der Schmelzkuppe in Kontakt gebracht werden und in der Endphase des Ziehvorganges nach Erreichen der vorgesehenen Stablänge von der Schmelzkuppe entfernt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen von den Flächengebilden bedeckter und freier Oberfläche der Schmelzkuppe, ohne Berücksichtigung des Schmelzenhalses, 1 : 15 bis 10 : 1 ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Flächengebilde aus Quarz eingesetzt werden, deren Gehalt an dotierend wirkenden Verunreinigungen höchstens ca. 35 Gew.-ppm beträgt.

6. Siliciumstäbe mit Durchmessern von mindestens 75 mm und einem Sauerstoffgehalt von mindestens 5×10¹⁶ Atomen O/cm³ Si, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5.

7. Siliciumscheiben, erhältlich aus Siliciumstäben gemäß Anspruch 6.

8. Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher in einem Rezipienten mit Halteeinrichtungen für einen Vorrats- und einen Produktstab eine Induktionsheizspule vorgesehen ist, welche zwischen Vorrats- und Produktstab die Erzeugung einer Schmelzzone gestattet, die in Form eines vom Vorratsstab ausgehenden Schmelzenhalses das Innenloch der Spule durchläuft und sich zu einer den Produktstab überwölbenden Schmelzkuppe erweitert, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein bewegliches Flächengebilde aus Quarz vorgesehen ist, welches aus einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung gebracht werden kann, in welcher es in flächigem Kontakt mit der Schmelzkuppe ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der flächige Kontakt Zentrosymmetrie aufweist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Flächengebilde ein konzentrisch unterhalb der Spule angeordneter vertikal auf die Schmelzkuppe absenkbarer Quarzring vorgesehen ist.