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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Siliciumimpfkristall zur Verwendung
bei der Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren
und ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls unter
Verwendung des Impfkristalls.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Bei
der Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren
wird ein Siliciumimpfkristall in geschmolzenes Silicium eingetaucht
und dann bis zu einem gewünschten
Durchmesser gezüchtet. Wenn
der Siliciumimpfkristall in das geschmolzene Silicium eingetaucht
ist, erzeugt er im Allgemeinen Versetzung, einen Kristalldefekt,
bei dem der eingetauchte Abschnitt das Zentrum bildet. Man nimmt
an, dass der Hauptgrund für
die Erzeugung dieser Versetzung die Wärmespannung ist, die durch
einen Temperaturunterschied erzeugt wird, der in dem Impfkristall
vor und nach dessen Eintauchen in die Schmelze auftritt. Bei der Herstellung
eines Siliciumeinkristalls ist es unerlässlich, das Entstehen von Versetzung
zu verhindern oder die Stelle einer entstandenen Versetzung zu entfernen.
Als Mittel zur Entfernung der Versetzung, die während des Eintauchens aufgetreten
ist, erfreute sich bisher das Dünnhals-Verfahren
großer
Beliebtheit, bei dem der Durchmesser des Impfkristalls nach dem
Eintauchen vorübergehend
verringert wird. Der größte verringerte Durchmesser,
der eine vollkommene Beseitigung der Versetzung durch das Dünnhals-Verfahren
ermöglicht, beträgt ungefähr 4 mm.
Die Versetzung kann nicht vollkommen beseitigt werden, wenn dieser
Durchmesser über
diese Größe hinausgeht.
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Was
die Festigkeit von Silicium für
das Stützen
der Siliciumeinkristalle, die in den letzten Jahren in Folge des
Trends zu Siliciumeinkristallen mit größeren Durchmessern größere Gewichte
erlangt haben, anbelangt, kann es bei dem verringerten Durchmesser
von 4 mm dazu kommen, dass das Silicium bricht. Deshalb wurde in
der Patentveröffentlichung
JP-A-09-249,492 ein Verfahren zur Herstellung des Einkristalls offenbart, bei
dem keine Bildung eines verringerten Durchmessers erforderlich ist,
der ein Problem in Bezug auf die Festigkeit des Siliciums darstellt.
Die dort offenbarte Erfindung betrifft eine Technik, welche darauf
abzielt, die Festigkeit eines Impfkristalls dadurch zu stärken, dass
die Borkonzentration in dem Impfkristall erhöht wird, die Entstehung der
Versetzung durch die Wärmespannung,
die während
des Eintauchens eines Silicumeinkristalls in geschmolzenes Silicium
auftritt, zu verhindern, oder – wenn
es überhaupt
zum Auftreten einer Versetzung kommt – die Länge derselben zu verringern,
die Beseitigung der auf einem Impfkristall entstandenen Versetzung
zu ermöglichen,
indem der Impfkristallstab stärker
als der Durchmesser des Impfkristalls aufgelöst wird, und eine Züchtung des
Siliciumeinkristalls zu ermöglichen,
ohne dass die Bildung eines Teils mit einem verringerten Durchmesser
durch Dünnhalsbildung
erforderlich ist.
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US2001/0020438A1
offenbart ein Verfahren zum Züchten
eines Siliciumeinkristalls unter Verwendung eines Impfkristalls
mit einer Borkonzentration von 1 × 1018 Atomen/cm3 oder mehr aus einer Siliciumschmelze mit
einer Borkonzentration, die sich von jener des Impfkristalls um
7 × 1018 Atome/cm3 oder
weniger unterscheidet. Wenn die Borkonzentrationen innerhalb der
angeführten
Bandbreiten liegen, kann das Kristallwachstum ohne Dünnhalsbildung
ausgeführt
und dennoch die Bildung von Versetzungen vermieden werden.
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US6080237 offenbart, dass
es wichtig ist, die Oberflächenrauheit
des Impfkristalls unter Kontrolle zu haben, um das Entstehen von
Versetzungen zu vermeiden.
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Aufgaben der
Erfindung
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Das
Experiment der Erfinder der vorliegenden Erfindung, das gemäß dem Verfahren
der betreffenden Erfindung durchgeführt wurde, hat gezeigt, dass
selbst wenn der Impfkristall eine so hohe Borkonzentration aufweist,
wie dies bei der herkömmlichen
Technik für
geeignet erachtet wird, der aus diesem Impfkristall gezüchtete Siliciumkristall
gelegentlich eine Versetzung hervorrief. Das bedeutet, dass der
Stand der Technik zwar in der Lage ist, die Entstehung von Versetzung
in dem Einkristall deutlich zu verringern, aber nicht imstande ist,
die Entstehung von Versetzung vollkommen zu verhindern oder deutlich
die quantitative kausale Beziehung zwischen irgendeinem anderen
Faktor, abgesehen von der Borkonzentration, und dem Entstehen einer
Versetzung zu erläutern.
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Daher
zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, einen Impfkristall gemäß Anspruch
1 für die
Herstellung eines Siliciumeinkristalls bereitzustellen, der in der
Lage ist, die ausschlaggebende Entstehung von Versetzung zu verhindern,
zu der es kommt, wenn der Impfkristall während der Herstellung eines
Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren in geschmolzenes
Silicium eingetaucht wird, und der auch imstande ist, der Belastung
durch eine große
Menge Siliciumeinkristall zu widerstehen. Ferner zielt die vorliegende
Erfindung darauf ab, ein Verfahren gemäß Anspruch 2 für die Herstellung
eines Siliciumeinkristalls bereitzustellen, welches es ermöglicht,
das versetzungsfreie Verhältnis
im Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls nach dem
Czochralski-Verfahren zu erhöhen.
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Beschreibung
der Erfindung
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Was
die vorliegende Erfindung anbelangt, haben eine große Sorge über den
Zustand einer Oberflächenbehand lung,
die ein Impfkristall erhält,
und ein besonderes Interesse an der Menge an Verformung, insbesondere
auf der Oberfläche
des Impfkristalls, dazu geführt,
dass eine Studie über
die Wirkung des Zustands der Oberflächenbehandlung des Impfkristalls
auf die ausschlaggebende Entstehung von Versetzung während der
Züchtung
eines Siliciumeinkristalls in Angriff genommen wurde. Diese Studie
hat zu neuen Erkenntnissen geführt.
Die vorliegende Erfindung wurde infolgedessen vervollkommnet. Ferner
hat in Bezug auf die vorliegende Erfindung ein großes Interesse
an der Temperaturschwankung des geschmolzenen Siliciums zu einer Studie über die
Auswirkung dieser Temperaturschwankung auf die ausschlaggebende
Erzeugung von Versetzung in dem Impfkristall während des Kontakts des Impfkristalls
mit der Schmelze geführt.
Diese Studie hat neue Erkenntnisse ergeben. Die vorliegende Erfindung
wurde auch infolgedessen vervollkommnet.
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Genauer
gesagt besteht die vorliegende Erfindung im Wesentlichen in der
Bereitstellung des Folgenden:
- (1) Ein Impfkristall
zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls zur Verwendung bei der
Fertigung eines Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren,
wobei die Borkonzentration in dem Siliciumeinkristall als Matrix,
aus welcher der Siliciumimpfkristall ausgeschnitten wird, nicht
weniger als 4 × 1018 Atome/cm3 und nicht
mehr als 4 × 1019 Atome/cm3 beträgt, dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens jener Teil des Siliciumimpfkristalls,
der der Siliciumschmelze benachbart ist, eine Oberfläche aufweist,
die frei von Bearbeitungsverformung ist.
- (2) Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls
nach dem Czochralski-Verfahren, umfassend die Herstellung eines
Impfkristalls, indem dieser aus einem borhaltigen Siliciumeinkristall
ausgeschnitten und geschliffen und daraufhin einem Oberflächenätzen von
mindestens jenem Teil des Siliciumimpfkristalls unterzogen wird,
der der Siliciumschmelze benachbart ist, und die Verwendung des
Impfkristalls zum Züchten eines
zweiten Siliciumeinkristalls durch Ziehen ohne Durchführung des
Dünnhals-Verfahrens,
dadurch gekennzeichnet, dass die Borkonzentration in dem Siliciumeinkristall
als Matrix, aus welcher der Siliciumimpfkristall ausgeschnitten
wird, nicht weniger als 4 × 1018 Atome/cm3 und
nicht mehr als 4 × 1019 Atome/cm3 beträgt, dass
der Impfkristall nach dem Schleifen und vor dem Oberflächenätzen geläppt wird,
und dass die von mindestens jenem Teil des Siliciumimpfkristalls,
der der Siliciumschmelze benachbart ist, zu ätzende Menge folgender Formel
(I) entspricht Y ≥ exp(–4,96 × logA +
18,7) (I)wobei
Y für die
zu ätzende
Menge (μm)
und A für
die Größe der Partikel
(#) eines Schleifsteins für
das Schleifen steht, so wie in der JIS (japanischen Industrienorm)
R 6001 angegeben.
- (3) Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls
nach dem Czochralski-Verfahren nach Punkt (2) oben, dadurch gekennzeichnet,
dass die Standardabweichung der Temperaturschwankung der Siliciumschmelze
im Zeitraum von nicht weniger als 10 Sekunden nicht mehr als 4°C beträgt.
- (4) Ein Verfahren zur Herstellung eines Siliciumeinkristalls
nach dem Czochralski-Verfahren nach Punkt (3) oben, dadurch gekennzeichnet,
dass der Impfkristall in der Siliciumschmelze teilweise geschmolzen
wird, wobei die zu schmelzende Menge des Impfkristalls nicht weniger
als der Durchmesser des Impfkristalls ist, und anschließendes Züchten des
Siliciumeinkristalls durch Ziehen ohne Durchführung des Dünnhals-Verfahrens.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nach Durchführung einer
sorgsamen Studie über
die ausschlaggebende Erzeugung von Versetzung während der Herstellung eines
Siliciumeinkristalls entdeckt, dass der Oberflächenzustand eines Impfkristalls
ein wichtiger Faktor ist und dass die restliche Bearbeitungsverformung,
die sich auf der Oberfläche
des Impfkristalls entwickelt, während
der Impfkristall einen Schleif- und Läppvorgang durchläuft, die
Ursache für
das Entstehen von Versetzung bildet. So lange diese Verformung auf der
Oberfläche
anhält,
führt die
Wärmespannung,
die während
des Kontakts des Impfkristalls und der Schmelze auftritt, zu Versetzung
in dem vorderen Endteil des Impfkristalls, selbst wenn die Borkonzentration
in dem Impfkristall so hoch ist, dass sie die Härte des Impfkristalls in unangemessener
Weise erhöht.
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Wenn
die Borkonzentration in dem Impfkristall geringer als 4 × 1018 Atome/cm3 ist,
wird der Mangel den Impfkristall daran hindern, eine ausreichende
Härte zu
erlangen und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass der Impfkristall
während
seines Kontakts mit der Schmelze Versetzung erzeugt. Wenn im Gegensatz
dazu die Borkonzentration größer als
4 × 1019 Atome/cm3 ist,
besteht ebenfalls die Wahrscheinlichkeit, dass der Impfkristall
beim Kontakt mit der Schmelze aus einem nicht klar ersichtlichen
Grund Versetzung hervorruft.
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Es
wurde festgestellt, dass die restliche Bearbeitungsverformung von
der Körnigkeit
(Rauheit) des Schleifsteins abhängt,
der beim Schleifen oder Läppen
des Siliciumeinkristallstabs verwendet wird. Der Begriff „restliche
Bearbeitungsverformung",
so wie er hier verwendet wird, wird durch das Bild definiert, das
in der Röntgentopographie
beobachtet wird, welche unten im Detail beschrieben wird.
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Im
Allgemeinen bildet ein Siliciumeinkristall, der frei von Verformungen
ist, ein kontrastfreies, einheitliches topographisches Muster. Wenn
dieser Siliciumeinkristall einer Bearbeitungsverformung unterliegt,
ermöglicht
die Verformung jedoch das Auftreten eines Bildes, das in der Verformung
reflektiert wird. Der Grund für
dieses Phänomen
liegt darin, dass das Gitter, das aus Siliciumatomen gebildet wird,
in der Gegenwart einer Bearbeitungsverformung verformt wird und
dass aufgrund dieser Verformung die Beugungsstärke, die in dem entsprechenden
Siliciumeinkristall durch Messung erfasst wird, höher ist
als jener Wert, der bei einem Fehlen einer solchen Verformung vorhanden
ist. Als Ergebnis einer sorgsam durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass
die Körnigkeit
des Schleifsteins, der beim Schleif- oder Läppvorgang verwendet wird, und
die Schichtdicke einer Bearbeitungsverformung eine feste Korrelation
bilden. Insbesondere wurde entdeckt, dass zwischen der Körnigkeit
des Schleifsteins, mit A (#) bezeichnet, und der Dicke der Bearbeitungsverformung,
mit Y (μm) bezeichnet,
die Beziehung der folgenden Formel (II) besteht. Das hier verwendete
Symbol A stellt die Körnigkeit
(#) des Schleifsteins dar wie in JIS (japanische Industrienorm)
R 6001 festgelegt.
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Formel II
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Y = exp(–4,96 × logA +
18,7) (II)
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Dieses
Verhältnis
ist graphisch in 1 dargestellt. Die Dicke der
Bearbeitungsverformung wird als die Entfernungsdicke definiert,
die sich ergibt, wenn ein bestimmter Impfkristall, der die Behandlungen
des Schleifens und Läppens
durchlaufen hat, schrittweise einer Ätzbehandlung unterzogen wird
und diese Behandlung fortgeführt
wird, bis die Röntgentopographie
keine visuell feststellbare Verformung mehr anzeigt.
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Dadurch,
dass man die Ätzdicke
nach den Schritten des Schleifens und Läppens über Y μm der Formel (II) hinausgehen
lässt,
kann dementsprechend die Schicht der Bearbeitungsverformung, die
durch Röntgentopographie
messbar ist, entfernt werden. Somit wird das Versetzungsbefreiungsverhältnis während des Vorgangs,
bei dem ein Siliciumeinkristall gezogen wird, deutlich verbessert,
indem die Ätzdicke
mit einer Größenordnung
festgelegt wird, die nicht weniger als Y μm beträgt. Da das Auflösungsvermögen der
Röntgentopographie
für Verformung
bei 0,2 μm
liegt, wird das Versetzungsentfernungsverhältnis während des Vorgangs des Ziehens
eines Siliciumeinkristalls verbessert, indem die Dicke der restlichen
Bearbeitungsverformung auf der Oberfläche eines Impfkristalls auf
einen Wert von nicht mehr als 0,2 μm reduziert wird.
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Nebenbei
bemerkt wird im Allgemeinen die wässerige Lösung eines Gemischs aus Fluorwasserstoffsäure und
Salpetersäure
als Ätzflüssigkeit
verwendet. Es kann eine andere Zusammensetzung verwendet werden,
die in der Lage ist, die erforderliche Oberflächenfeinheit mit Hilfe von Ätzen zu
gewährleisten,
so lange die Bearbeitungsverformungsschicht, Y, definiert durch
die Formel (II), entfernt werden kann. Wenn die wässerige
Lösung
des Gemischs aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure verwendet
wird, ist es, da Fluorwasserstoffsäure Silicium mit einer höheren Geschwindigkeit ätzt als
Salpetersäure,
bevorzugt, Salpetersäure in
einer Überschussmenge
in dem Mischungsverhältnis
der zwei Säuren
zu verwenden. Vorzugsweise liegt das Volumenverhältnis von Fluorwasserstoffsäure:Salpetersäure im Bereich
von 1:3~8. Wenn das Ätzen
zu dem Problem führt,
dass die Oberfläche
stark vergröbert
wird, oder zu dem Problem kommt, dass sich auf der Siliciumoberfläche ein
Film bildet, kann das Problem dadurch vermieden werden, dass man
ein Milderungsmittel wie Essigsäure
zugibt. Die Menge an zuzugebender Essigsäure liegt vorzugsweise im Bereich
von 2~8 relativ zum oben genannten Mischungsverhältnis von Fluorwasserstoffsäure und
Salpetersäure.
Genauer gesagt liegt das Mischungsverhältnis von Fluorwasserstoffsäure Salpetersäure:Essigsäure vorzugsweise
im Bereich von 1:(3~8):(2~8), um das Entstehen einer vergröberten Oberfläche oder
die Bildung einer beschichteten Oberfläche zu vermeiden. Der Grund
für diese
Bandbreite liegt darin, dass, wenn die Menge an zuzugebender Essigsäure geringer
als 2 ist, der Mangel die Wirkung der Zugabe herabsetzt, und wenn
sie über
8 liegt, dieser Überschuss
zu einer deutlichen Senkung der Geschwindigkeit beim Ätzen des
Siliciums führen
wird.
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Der
Schleifstein, der für
den Vorgang des Schleifens und Läppens
verwendet wird, ist vorzugsweise aus Keramik wie SiC oder Al2O3 oder Diamant,
die eine geringe chemische Reaktivität gegenüber Si aufweisen. Wenn ein
solcher Schleifstein verwendet wird, genügt es, da die Dicke einer Bearbeitungsverformungsschicht
im Wesentlichen nicht durch das Material des Schleifsteins, sondern
durch dessen Körnigkeit
bestimmt wird, durch Ätzen
eine Dicke zu entfernen, die über
die Dicke der Bearbeitungsverformungsschicht hinausgeht, in Abhängigkeit
von der Körnigkeit
des Schleifsteins. Das vordere Ende des Impfkristalls, das in die
Schmelze eingetaucht werden soll, braucht nicht konvex nach unten
ausgebildet zu sein, sondern kann eine flache Form aufweisen. Bei
der vorderen Endfläche
des Impfkristalls, die eine flache Form aufweist, und dem diametral
konvergierten Abschnitt des Impfkristalls, der eine nach unten konvexe
Form aufweist, werden vorzugsweise die Außenumfangsteile abgerundet.
Der Grund für
dieses Abrunden besteht darin, dass bei diesen Außenumfangsteilen
leicht ein als Abplatzen bezeichneter Bruch auftritt, während das
vordere Ende geschliffen wird, und es dazu kommen kann, dass eine
Verformung bis zu einer Region erzeugt wird, die tiefer liegt als
die Bearbeitungsverformungsschicht, die aufgrund der Körnigkeit
des Schleifsteins gebildet wird. Wenn das Abrunden durchgeführt wird,
kann die Verformung, die durch ein Abplatzen erzeugt wird, dadurch
entfernt werden, dass der Krümmungsradius
des Abrundens auf einen Wert von nicht weniger als 100 μm eingestellt
wird. Wenn in dem abgeschrägten
Teil ein Stück
abplatzt, kann er bearbeitet und in eine Bearbeitungsverformungsschicht wie
durch die Formel (II) definiert umgewandelt werden, indem man den
betroffenen Teil mit einem Schleifstein geringer Körnigkeit
und weiter mit einem Schleifstein höherer Körnigkeit schleift. Aus praktischen
Gründen
wird der Krümmungsradius
der Abrundung bevorzugt auf 5 mm eingestellt. Wenn der Krümmungsradius
der Abrundung unangemessen vergrößert wird,
erfordert der Überschuss
eine unangemessen lange Bearbeitungszeit, weil der Siliciumeinkristall
so brüchig
ist, dass er die Bearbeitung erschwert. Nebenbei bemerkt befinden
sich, wenn es während
der Bearbeitung zu Abplatzen kommt, die Abplatzstelle und die restliche
Oberfläche
des Impfkristalls vorzugsweise in einem gleichen Bearbeitungszustand.
Dies deshalb, weil die Ätzdicke
nach dem Bearbeiten an die Region der größten Dicke in der Bearbeitungsverformungsschicht
angepasst werden muss.
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Wenn
der durch die vorliegende Erfindung beabsichtigte Impfkristall,
wie oben beschrieben, bei der Herstellung eines Siliciumeinkristalls
verwendet wird, da er keine Oberflächenschicht mit Bearbeitungsverformung
aufweist, erlauben der Impfkristall und der Siliciumeinkristall,
der daraus gezüchtet
wird, in der vorliegenden Erfindung nicht besonders eine einfache
Entstehung von Versetzung aufgrund der Wärmespannung, die durch das
Eintauchen des Impfkristalls in geschmolzenes Silicium verursacht
wird. Somit kann die Herstellung eines Siliciumeinkristalls mit
einem großen
Durchmesser, der imstande ist, einer Last eines großen Gewichts zu
widerstehen und frei von Versetzung ist, durchgeführt werden,
ohne dass die Bildung eines Teils mit einem verringerten Durchmesser
mittels Dünnhalsbildung
erforderlich ist.
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Ferner
haben die betreffenden Erfinder als Ergebnis einer sorgsam durchgeführten Studie
betreffend das ausschlaggebende Entstehen von Versetzung während der
Herstellung eines Siliciumeinkristalls festgestellt, dass es selbst
bei Verwendung eines Impfkristalls, der keine restliche Bearbeitungsverformung
wie oben beschrieben aufweist, möglicherweise
zum Entstehen von Versetzung kommt, wenn die Temperaturschwankung
des geschmolzenen Siliciums nicht unterdrückt wird. Der Grund für dieses
Phänomen
wird unten beschrieben.
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Das
geschmolzene Silicium, insbesondere die Schmelze, die in einem großen Schmelztiegel
vorgelegt und zur Herstellung eines großen Kristalls durch Ziehen
vorbereitet wird, nimmt einen turbulenten Zustand ein und unterliegt
Temperaturschwankungen mit unterschiedlichen Zeitspannen. Von diesen
oben erwähnten Temperaturschwankungen üben insbesondere
die Temperaturschwankungen mit Zeitspannen von nicht weniger als
10 Sekunden eine große
Wirkung auf die Entstehung von Versetzung aus. Aufgrund dieser Temperaturschwankungen
wird der Impfkristall während
des Eintauchens in die Schmelze schnell gezüchtet und geschmolzen. Insbesondere
wächst
der Kristall schnell, wenn die Schmelze niedriger Temperatur dem
Impfkristall nahe kommt, und schmilzt schnell, wenn die Schmelze
hoher Temperatur dem Impfkristall nahe kommt. Das schnelle Wachstum
und das schnelle Schmelzen führen
möglicherweise
zum Entstehen von Versetzung. Die Temperaturschwankungen mit Zeitspannen
von weniger als 10 Sekunden üben
eine geringe Wirkung aus. Der Grund für diese geringe Wirkung besteht
darin, dass eine schnelle Temperaturschwankung nicht einfach auf
den Impfkristall übertragen
wird und schnelles Wachstum und schnelles Schmelzen des Kristalls
nicht einfach auftreten, weil die Temperaturgrenzschicht, die zwischen
der Schmelze und dem Impfkristall liegt, als Tiefpassfilter fungiert.
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In
Abhängigkeit
von seinen Ziehbedingungen unterliegt der Impfkristall während seines
Kontakts mit der Schmelze sehr großer Wärmespannung. Selbst wenn der
zu verwendende Impfkristall keine Bearbeitungsverformung wie oben
erwähnt
aufweist, kann es bei ihm zu einer Versetzung kommen. In diesem
Fall kann die Versetzung, zu der es während des Kontakts des Impfkristalls
mit der Schmelze gekommen ist, bis zur Eliminierung geschmolzen
werden, indem der Impfkristall in einer vorgeschriebenen Menge in
der Schmelze geschmolzen wird, wie beispielsweise in der Patentveröffentlichung
JP-A-09-249,492 offenbart. Da der Impfkristall, der eine hohe Borkonzentration
aufweist, hart ist, weist die Versetzung, die im Impfkristall während dessen Kontakt
mit der Schmelze erzeugt wird, eine geringe Länge auf, und diese Versetzung
des Impfkristalls wird während
dessen Eintauchen in die Schmelze nicht verlängert. Wenn die Bearbeitungsverformung
auf der Seitenfläche
des Impfkristalls weiter besteht, ist jedoch die Wahrscheinlichkeit
groß,
dass der Impfkristall aufgrund frisch erzeugter Wärmespannung
eine Versetzung durch den Dreifachpunkt von Kristall-Schmelze-Gas (Außenumfanglinie
des Impfkristalls) auf der seiner Seitenfläche einführt. Selbst wenn der Impfkristall,
der diese Versetzung trägt,
in die Schmelze eingetaucht wird, in dem Bemühen, die Versetzung endgültig durch
Schmelze zu beseitigen, kann die Versetzung nicht endgültig beseitigt
werden, da die Versetzung daraufhin durch einen erneut gebildeten
Dreifachpunkt erzeugt wird. Daher ist es notwendig, dass die Seitenfläche des
Impfkristalls von der restlichen Bearbeitungsverformung von Anfang
an befreit wird, um zu verhindern, dass der in die Schmelze eingetauchte
Impfkristall Versetzung erzeugt. Insbesondere ist es notwendig,
dass die Schicht, die frei von Oberflächenbearbeitungsverformung
ist, im Voraus mindestens durch die gesamte Region des Impfkristalls
hindurch gebildet ist, die in die Schmelze eingetaucht wird.
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Nun
werden die Borkonzentration in dem durch die vorliegende Erfindung
beabsichtigten Impfkristall, die Oberflächenbearbeitungsbehandlung
und die Beziehung zwischen der Temperaturschwankung der Schmelze
und dem Versetzungsbefreiungsverhältnis (DF-Verhältnis) von
dem Einkristall, der aus der Schmelze gezüchtet wird, unten beschrieben,
und zwar basierend auf Arbeitsbeispielen, die zur Veranschaulichung angeführt werden.
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Ausführungsformen
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Der
hier verwendete Impfkristall wies die Form eines Zylinders mit 13
mm Durchmesser auf und wurde aus einem Siliciumeinkristallblock
ausgeschnitten und dann einer Schleif- und einer Oberflächenbehandlung unterzogen,
die unten im Detail beschrieben werden.
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Das
Züchten
eines Siliciumeinkristalls nach dem Czochralski-Verfahren wurde
durchgeführt,
indem der Impfkristall in einer Haltevorrichtung in Position gebracht
wurde und danach das Züchten
daran in einer Argongasatmosphäre
eingeleitet wurde. In einem beheizten Kristallzüchtungsofen wurde polykristallines
Silicium geschmolzen, und der Impfkristall wurde langsam auf die
Oberfläche
des geschmolzenen Siliciums abgesenkt. Insbesondere aus der Region
mit einer Temperatur von 1300°C
zur Position, bei welcher der Impfkristall die Schmelze berührte, wurde
die Absenkgeschwindigkeit des Impfkristalls auf 1 mm/Minute eingestellt, um
das Entstehen von Wärmespannung
aufgrund einer plötzlichen
Temperaturänderung
des Impfkristalls zu vermeiden. Nachdem der Impfkristall die Schmelze
berührt
hatte, wurde er nach Bedarf in einer vorbestimmten Länge in die
Schmelze eingetaucht und dort zum Auflösen belassen, bis sich der Impfkristall
an die Schmelze angepasst hatte. Danach wurde mit dem Züchten eines
Kristalls begonnen. Beim Züchten
dieses Kristalls ließ man
den Kristall in einem Zustand ohne durchlaufene Dünnhalsbehandlung
breiter werden, so dass sich allmählich ein konischer Teil bildete,
beendete die Verbreiterung bei einem Durchmesser von 300 mm und
züchtete
fortlaufend in diesem Durchmesser, so dass sich ein gerader 500-mm-Körperteil
bildete.
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In
den Arbeitsbeispielen und Kontrollen wurde das Züchten unter den oben genannten
Züchtungsbedingungen
mit bis zu 10 Wiederholungen durchgeführt, um eine Evaluierung des
DF-Verhältnisses
zu erhalten. Das DF-Verhältnis wurde
bewertet, indem der gezüchtete
Einkristall der Länge
nach aufgeschnitten und der gesamte Block, einschließlich des
Impfkristallteils, durch Röntgentopographie
untersucht wurde, um zu untersuchen, ob Versetzungen aufgetreten
waren oder nicht. In einem Einkristall, dessen Längsschnitt bei der Röntgentopographie
auch nur ein geringes Anzeichen von Versetzung auswies, lag der
DF-Wert bei 0. Das DF-Verhältnis
wurde als Verhältnis
der Anzahl von Blöcken,
die kein Anzeichen von Versetzung aufweisen, zur Gesamtanzahl von
zehn Blöcken
berechnet, die in den wiederholten Versuchen verwendet wurden.
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Durch
die Oberflächenbearbeitung
erhielt der Impfkristall unter Verwendung einer zylinderförmigen Schleifvorrichtung
seine Endform als Zylinder und gleichzeitig erhielt sein vorderes
Ende eine flache Form oder eine nach unten konvex verlaufende Form.
Zu diesem Zeitpunkt wurde der Impfkristall unter Verwendung von SiC
oder Diamant als Schleifstein für
die Oberflächenbearbeitung
geschliffen und geläppt,
bis die vorgeschriebene Körnigkeit
des Schleifsteins erhalten wurde. In der Zwischenzeit wurde im Zuge
der Abrundung der Außenumfangsteil
der vorderen Endfläche,
wenn das vordere Ende eine flache Form aufweist, oder der diametrisch
konvergierte Abschnitt, wenn das vordere Ende eine nach unten konvexe
Form aufweist, geschliffen und geläppt bis zu einem Krümmungsradius
von 1 mm. Das Entfernen der Oberflächenschicht des Impfkristalls, der
geschliffen und geläppt
worden war, wurde durch Ätzen
der Oberflächenschicht
mit der wässerigen
Lösung eines
Gemischs aus Fluorwasserstoffsäure
und Salpetersäure
in einem Volumenverhältnis
von 1:8 durchgeführt.
Die Differenz, die sich durch subtrahieren des Durchmessers des
Impfkristalls nach der Behandlung von dem ursprünglichen Durchmesser des Impfkristalls
ergab, wurde als die Dicke der durch das Ätzen entfernten Oberflächenschicht
angeführt.
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Tabelle
1 zeigt die Borkonzentration im Impfkristall, den numerischen Grad
eines endbearbeitenden Schleifsteins, die durch das Ätzen entfernte
Dicke, die Standardabweichung der Schmelzetemperaturschwankungen
mit Zeitspannen von nicht weniger als 10 Sekunden, die Gegenwart
von Verschmelzung des Impfkristalls in einer Größe, die über dessen Durchmesser liegt
und die Art der Änderung
des DF-Koeffizienten,
hervorgerufen durch die Kombination von variierenden Bedingungen,
die in jedem der Beispiele 1–8
und der Kontrollen 1–4
erhalten wurden.
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In
Beispiel 1 und 2 wiesen die DF-Koeffizienten beide einen hohen Wert
von 70% auf, weil die Borkonzentrationen in einem geeigneten Bereich
lagen und die Schichten der Bearbeitungsverformung durch Ätzen von
der Oberfläche
entfernt wurden. In Beispiel 3 und 4 wiesen die DF-Koeffizienten Werte
von mehr als 90% auf, weil die Standardabweichungen der Schmelzetemperaturschwankungen
mit Zeitspannen von nicht weniger als 10 Sekunden auf unter 4°C reduziert
wurden, zusätzlich
zu den vorhergehenden Bedingungen. In Beispiel 5 bis 8 wurden die
DF-Koeffizienten weiter auf 100% erhöht, weil die vorderen Enden
der Impfkristalle jeweils über
eine Länge
angeschmolzen wurden, die gleich dem Durchmesser des Impfkristalls
ist, zusätzlich zu
den Bedingungen von Beispiel 3 und 4.
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In
den Kontrollen 1 und 2 erzeugten die Impfkristalle, obwohl die Ätzmengen
ausreichend waren, die Fluktuationen der Schmelzetemperatur bei
nur 4°C
lagen und die vorderen Enden der Impfkristalle auf eine Größe gleich
dem Durchmesser des Kristalls angeschmolzen wurden, Versetzungen
von ihren Oberflächen, bei
den Barrel-Teilen des gezüchteten
Blocks kam es auch zu mehr Versetzen und die DF-Koeffizienten fielen auf
0%, weil die Borkonzentrationen in den Impfkristallen mit 3 × 1018 sehr niedrig bzw. mit 5 × 1019 sehr hoch lagen. Bei den Kontrollen 3
und 4 betrugen, obwohl die Borkonzentrationen in den Impfkristallen
in einem geeigneten Bereich lagen, die Fluktuationen der Schmelzetemperatur
bei nur 4°C
lagen und die vorderen Enden der Impfkristalle in einer Größe gleich
dem Durchmesser des Kristalls angeschmolzen wurden, die DF-Koeffizienten
nur 10%, weil die Ätzmengen
unangemessen klein waren.
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Wirkung der Erfindung
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Der
durch die vorliegende Erfindung beabsichtigte Impfkristall ist aufgrund
einer hohen Borkonzentration mit Steifheit versehen und durch Oberflächenbehandlung
von einer Bearbeitungsverformungsschicht befreit und unterliegt
daher nicht so schnell dem Einfluss von Wärmespannung. Somit kann die
vorliegende Erfindung einen Impfkristall bereitstellen, der ein
leichtes Entstehen von Versetzungen hemmt, ohne dass dafür ein Dünnhals erforderlich
ist.
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Ferner
kann der vorliegende Impfkristall gemäß dem herkömmlichen Verfahren für die Herstellung
eines Impfkristalls hergestellt werden, ohne Änderungen daran durchzuführen. Somit
kann die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines
kostengünstigen
Impfkristalls bereitstellen.
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Durch
Verwendung des vorliegenden Impfkristalls zur Herstellung eines
Siliciumeinkristalls ist es möglich,
einfach einen Siliciumeinkristall mit großem Durchmesser und großem Gewicht
zu züchten,
ohne dass es zum Entstehen von Versetzungen kommt. Dadurch wird
nicht nur die Wirkung der Erfindung in Bezug auf eine deutliche
Verringerung der Kosten für
die Herstellung eines Siliciumeinkristalls mit großem Durchmesser
und großem
Gewicht deutlich gemacht, sondern es werden damit auch solche Zwecke
erfüllt
wie beispielsweise das Vergrößern des
Durchmessers des Impfkristalls, wodurch sich die Widerstandslast
erhöht,
was verhindert, dass ein Block, der durch das Züchten des Siliciumeinkristalls
gebildet wird, bricht und fällt,
und die Betriebssicherheit während
der Herstellung eines Siliciumeinkristalls mit großem Durchmesser
und großem
Gewicht deutlich verbessert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1:
Hierbei handelt es sich um ein Schaubild, welches die Beziehung
zwischen der Körnigkeit
eines bei der Bearbeitung eines Impfkristalls verwendeten Schleifsteins
und der Dicke einer einzuführenden
Bearbeitungsverformungsschicht darstellt.
