Hintergrund der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Einkristallziehungsverfahren eines
Siliciumeinkristalls nach Czochralski.
Beschreibung des Standes der Technik
-
Bei der Ziehung eines Einkristalls nach Czochralski wird herkömmlich der
Schmelztiegel mit Hochgeschwindigkeit gedreht, um die Sauerstoffdichte in dem
Kristall einzustellen, und eine gleichförmige Temperaturverteilung zu erreichen. Bei
der Drehung des Schmelztiegels mit Hochgeschwindigkeit wird jedoch die
Konvektion der Schmelzflüssigkeit unstabil. Demzufolge erscheinen in dem
gezogenen Kristall Streifen aufgrund von unregelmäßigem Wachstum. Das heißt es
ist nicht möglich, einen Siliciumeinkristalll mit gleichmäßig verteiltem Sauerstoff zu
ziehen.
-
Bei dem herkömmlichen Siliciumeinkristallziehungsverfahren nach Czochralski wird
die Sauerstoffdichte in dem Kristall und die Temperaturverteilung in der Schmelze
nur mittels der Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels eingestellt. Damit kann
jedoch nicht die Konvektion der Schmelze gesteuert werden, und daher ist es nicht
möglich, einen Siliciumeinkristall mit gleichförmiger Sauerstoffverteilung zu erhalten.
Aus der EP-A-0 055 619 ist ein Verfahren zur Einstellung der Konzentration und
Verteilung von Sauerstoff in einem Siliciumeinkristall, der mit einem Verfahren nach
Czochralski gezogen ist, bekannt. Die Sauerstoffkonzentration und Verteilung
innerhalb von Siliciumstäben, die aus einer Siliciumschmelze gezogen wurden, die
in einem Siliciumschmelztiegel enthalten ist, wird über Variation von Mächtigkeit und
Richtung der Impfung und Schmelztiegelrotation eingestellt, wobei eine
gleichförmige Sauerstoffverteilung erreicht wird, indem die Drehung des
Schmelztiegels auf vorbestimmte Werte als Funktion von Kristallziehung und
Schmelze-Verbrauch eingestellt wird.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Einkristallziehungsverfahren bereitzustellen, bei dem der Kristall Sauerstoff in einem
beliebigen Dichtenbereich von 10¹&sup5;/cm³ bis 10¹&sup8;/cm³ enthält, und der eine
gleichförmige Sauerstoffdichte hat, die in einer zur Richtung der Kristallziehung
senkrechten Ebene um nicht mehr als 5% variiert.
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe mit den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind
in den Unteransprüchen erwähnt.
-
Das erfindungsgemäße Einkristallziehungsverfahren besteht insbesondere aus den
nachstehenden Merkmalen.
-
Die thermische Rossby-Zahl wird auf wenigstens 30 eingestellt, wenn ein
Siliciumeinkristall nach dem Czochralski-Verfahren gezogen wird, wobei die
Sauerstoffdichte eingestellt wird, indem eine Quarzröhre in die Siliciumschmelze
eingesetzt wird.
-
Die Konvektion hat in der Siliciumschmelze eine axiale Symmetrie, wodurch in einer
Ebene senkrecht zur Kristallziehungsrichtung Sauerstoff gleichförmig verteilt wird.
Aus diesem Grund wird die thermische Rossby-Zahl auf wenigstens 30 eingestellt.
Außerdem wird eine zylindrische Quarzröhre in die Schmelze eingesetzt, um eine
Sauerstoffdichte in einem beliebigen Bereich einzustellen. Mit dem
Kristallziehungsverfahren kann ein Kristall mit Sauerstoff in einem beliebigen
Dichtebereich von 10¹&sup5;/cm³ bis 10¹&sup8;/cm³ und mit einer gleichförmigen
Sauerstoffdichte erzielt werden, die in einer Ebene senkrecht zur
Kristallziehungsrichtung um nicht mehr als 5% variiert.
-
Wenn die thermische Rossby-Zahl auf wenigstens 30 eingestellt ist, dann hat die
Konvektion der Schmelze eine axiale Symmetrie, was mittels
Röntgenstrukturanalyse bestätigt wurde. Bei einer derartig ausgebildeten
symmetrischen Konvektion wird in der Schmelze enthaltener Sauerstoff gleichförmig
transportiert, so daß die Sauerstoffdichte des resultierenden Kristalls in einer Ebene
senkrecht zur Kristallziehungsrichtung um nicht mehr als 5% variiert. Die
thermische Rossby-Zahl (RotT) wird mit der nachstehenden Gleichung erhalten.
-
Rot = gdβΔT/ω²r²
-
wobei mit g, β, ΔT, d, r. und ω jeweils die Gravitationsbeschleunigung, der
Wärmeausdehnungskoeffizient, die Temperaturdifferenz, die Höhe der Schmelze,
der Radius der Schmelze und die Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels
gekennzeichnet ist. Die thermische Rossby-Zahl ist dimensionslos und gibt einen
Rotationseffekt des Schmelztiegels aufgrund von natürlicher Auftriebskonvektion an.
Mit Zunahme der thermischen Rossby-Zahl wird die natürliche Konvektion
dominanter und ermöglicht so eine axialsymmetrische Ausbildung der Konvektion.
In der Schmelze mit einer derartigen axialsymmetrischen Konvektion wird ein
Abschnitt der Quarzröhre geschmolzen, wobei die Schmelze symmetrisch fließt, und
wodurch ein Siliciumeinkristall mit einer beliebigen Sauerstoffverteilung in einem
beliebigen Bereich von 10¹&sup5;/ cm³ bis 10¹&sup8;/cm³ und mit einer Sauerstoffverteilung, die
in einer zur Kristallziehungsrichtung senkrechten Ebene um nicht mehr als 5%
variiert, gezogen werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden klarer aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die von Zeichnungen begleitet wird.
Hierzu zeigt:
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Anordnung zur
Kristallziehung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
-
Fig. 2 eine grafische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Einkristallziehungsverfahrens.
Beschreibung der vorteilhaften Ausführungen
-
Mit Bezug auf die Zeichnungen werden nachfolgende Ausführungen der
vorliegenden Erfindung beschrieben.
-
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Einkristallziehung nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Die Anordnung von Fig. 1 enthält einen Quarzschmelztiegel
1 für eine Siliciumschmelze, eine Siliciumschmelze 2, ein Siliciumeinkristall 3, eine
Heizvorrichtung 4, einen Kohlenstoffhalter 5 für den Quarzschmelztiegel 1, eine
Welle 6 zur Drehung des Schmelztiegels 1 und eine Quarzröhre 7, um Sauerstoff in
die Siliciumschmelze einzubringen.
-
Bei dieser Ausführung des Einkristallziehungsverfahrens wird ein Drei-Inch-
Schmelztiegel 1 mit einem Durchmesser von drei Inch verwendet, und die
Siliciumschmelze 2 wird derart bereitgestellt, daß das Verhältnis von Radius der
Schmelze und Höhe oder Tiefe der Schmelze im wesentlichen 1 : 1 ist, und der
resultierende Siliciumeinkristall 3 hat einen Durchmesser von zwei Inch. Außerdem
wird dabei die Drehgeschwindigkeit des Schmelztiegels 1 von 0
Umdrehungen/Minute bis 8 Umdrehungen/Minute (rpm) mit einer
Temperaturabweichung von 55 K und 80 K zwischen einer höchsten und niedrigsten
Temperatur der Schmelze 2 variiert.
-
Um außerdem eine Sauerstoffdichte von 10¹&sup6;/cm³ zu erzielen, wird die Quarzröhre 7
derart positioniert, daß ihr oberes Ende 3 mm von der Oberfläche der Schmelze 2
entfernt ist. Fig. 2 zeigt Resultate der Kristallziehung, wobei die thermische Rossby-
Zahl gegen die Taylor-Zahl aufgetragen ist.
-
Die Taylor-Zahl (Ta) wird mit der nachstehenden Gleichung erhalten:
-
Ta = (r/d) 4 ω²r&sup4;/ν²
-
u kennzeichnet den kinematischen Viscositätskoeffizienten der Siliciumschmelze.
Bei der Siliciumschmelze bleibt der Viskositätskoeffizient fast unverändert bei
Variation der Temperatur und kann daher als konstant betrachtet werden.
Demzufolge wird die Taylor-Zahl als dimensionslose Zahl angegeben, die die
Anordnung und Drehgeschwindigkeit der Schmelze angibt. Die beiden Geraden von
links oben nach rechts unten geben eine feste Temperaturdifferenz an.
-
Erfindungsgemäß werden mit diesem Verfahren Einkristalle unter den Bedingungen
der Punkte 1 bis 4 gezogen, die mit kleinen Kreisen gekennzeichnet sind, wobei die
Rossy-Zahl wenigstens 30 beträgt. Bei diesen Kristallen wurde mit einem
Fourierinfrarotabsorptions-Spektrometer (FT-IR) die Variation der Sauerstoffdichte
in einer Ebene senkrecht zur Kristallziehungsrichtung bestimmt. Tabelle 1 zeigt die
Meßwerte.
-
Fig. 2 zeigt außerdem Resultate, die mit kleinen Dreiecken gekennzeichnet sind,
von Kristallziehungen bei Bedingungen, mit einer thermischen Rossby-Zahl von
höchstens 30 und mit einer nicht axialsymmetrisch ausgebildeten Konvektion. Aus
der Tabelle geht hervor, daß bei allen Silicium-Kristallen, die mit einer thermischen
Rossby-Zahl von 30 oder mehr bezogen wurden, die Sauerstoffdichtenvariation
unter 5% liegt.
-
Außerdem werden nachstehend die Ausführungen, 5, 6 und 7 beschrieben. Bei
einer Schmelztemperatur von 55 K und einer Drehgeschwindigkeit des
Schmelztiegels von einer Umdrehung/Minute wird ein Einkristallziehungsverfahrens
eines Siliciumeinkristalls durchgeführt, wobei die Position des oberen Endes der
Quarzröhre 7 in Bezug zu der Oberfläche der Schmelze verändert wird, um den in
die Schmelze gemischten Sauerstoffbetrag einzustellen. Der Abstand zwischen dem
oberen Ende der Quarzröhre 7 und der Oberfläche der Flüssigkeit wird variiert
zwischen 1, 5 und 10 mm. Die resultierenden Einkristalle wurden mit einem
Fourierinfrarotabsorptions-Spektrometer (FT-IR) untersucht, um die Sauerstoffdichte
in den Siliciumeinflußteil 3 und die Sauerstoffdichtevariation in einer Ebene
senkrecht zur Kristallziehungsrichtung zu messen. Tabelle 2 zeigt die gemessenen
Werte.
Tabelle 2
-
Aus Tabelle 2 geht hervor, daß mittels der Verschiebung der Position des Endes der
Quarzröhre 7 das in die Schmelzröhre gemischte Sauerstoffvolumen verändert wird,
und die Sauerstoffdichte des Siliciumeinkristalls 3 kann in einem Bereich von
ungefähr 10¹&sup5; cm³ bis 10¹&sup8; cm³ beliebig eingestellt werden.
-
Bei der Verwendung eines Schmelztiegels 1 mit einem Durchmesser von 15 Inch
und einen Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 20 Inch wird ein weiterer
Einkristall bezogen. Hier haben die resultierenden Kristalle jeweils Durchmesser von
8 und 10 Inch. Um außerdem die Sauerstoffdichte auf 10¹&sup7;/cm³ einzustellen wird
das obere Ende der Quarzröhre 7 an eine Position angeordnet, die 7 mm von der
Schmelzoberfläche entfernt ist. Die Ausführungen 7, 8 und 9 werden mit einem
Einkristallziehungsverfahren erzielt, bei dem die Temperaturdifferenz 55 K beträgt
und die thermische Rossby-Zahl derart ausgewählt ist, daß sie wenigstens 30
beträgt. Tabelle 3 zeigt die Meßwerte der Ausführungen
Tabelle 3
-
Aus Tabelle 3 geht hervor, daß selbst bei der Verwendung von großen
Schmelztiegeln bei einer thermischen Rossby-Zahl von 30 oder mehr ein
Siliciumeinkristall mit gleichmäßiger Dichte erzielt werden kann, wobei die Variation
der Sauerstoffdichte höchstens 5% beträgt.
-
Wie vorstehend beschrieben wurde bestätigt, daß bei Ausbildung einer Schmelze
mit einer axialsymmetrisch ausgebildeten Konvektion ein Siliciumeinkristall mit einer
beliebigen Sauerstoffdichte in dem Bereich von 10&supmin;&sup5;/cm³ bis 10&supmin;&sup5;/cm³ und einer
gleichförmigen Sauerstoffverteilung gezogen werden kann, wobei die Variation der
Sauerstoffdichte in einer zur Kristallziehungsrichtung senkrechten Ebene höchstens
5% beträgt.
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird vorteilhaft ein
gleichförmiger Siliciumeinkristall mit einem Verfahren nach Czochralski gezogen, bei
dem die Variation der Sauerstoffdichte in einer Ebene senkrecht zur
Kristallziehungsrichtung höchstens 5% beträgt.