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Hintergrund der Erfindung
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1. Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
polykristallinen Halbleiters, oder spezieller ein Verfahren zum
Herstellen eines polykristallinen Silizium-Halbleiters, der unter
Belastung eine geringe Verformung aufweist.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Silizium
ist ein hervorragendes Rohmaterial zur Herstellung von Industrieprodukten
und wird beispielsweise als Halbleitermaterial für die Herstellung von ICs (integrierten
Schaltungen) etc. und als Material für die Herstellung von Solarzellen
verwendet; es ist ein wirklich hervorragendes Material aus dem Gesichtspunkt
der natürlichen
Ressourcen heraus, das viele Anwendungen in den oben erwähnten Bereichen
findet. Spezieller ist Silizium das Material, das für beinahe
alle Solarzellenmaterialien verwendet wird, die sich derzeit in
praktischer Anwendung befinden. Die derzeit dominierenden Solarzellen
für die
Stromversorgung basieren auf einem Silizium als Einfachkristall,
und somit wird zur Kostenreduzierung eine weitere Entwicklung von
Solarzellen aus hochqualitativem polykristallinen Silizium erwartet.
Unter diesen Umständen
ist die Umwandlungseffizienz von polykristallinem Silizium geringer
als die von Silizium als Einfachkristall. Deshalb ist die Entwicklung eines
hochqualitativen polykristallinen Siliziums die wichtigste Anforderung
für erfolgreiche
Anwendungen bei Solarzellen.
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Gemäß dem konventionellen
Verfahren zum Herstellen von polykristallinen Siliziumhalbleitern
wird festes Silizium, das in einen Silica-Tiegel geladen ist, in
einem Schmelzofen geschmolzen und anschließend in einen Graphit-Tiegel gegossen.
Ein weiteres neuerliches Verfahren ist das Schmelzen in einem Vakuum oder
einem inerten Gas, um ein Vermischen von Sauerstoff oder Stickstoffgas
etc. mit dem Silizium zu verhindern und somit die Qualität zu verbessern
und ein Verstauben zu verhindern.
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In
einem halbkontinuierlichen Gieß-Schmelz-Verfahren
der Wacker-Chemitronic
GmbH aus Deutschland wird beispielsweise Silizium in einem Vakuum
oder in einem inerten Gas in einem Silizium-Tiegel geschmolzen und
anschließend
in eine Form aus Graphit oder dergleichen gegossen, indem der Tiegel
geneigt wird (japanische Patentschrift JP-B2 57-21515 (1982)). Beim
HEM (Hitze-Austausch-Verfahren) von Crystal Systems, Inc. aus den
USA wird Silizium in einem Vakuum in einem Silica-Tiegel geschmolzen
und anschließend
direkt verfestigt (japanische Patentschrift JP-B2 58-54115 (1983)). Ebenfalls bekannt
ist eine Verbesserung des Wacker-Verfahrens,
bei der eine wassergekühlte
Stahlplatte als Silizium-Schmelztiegel
verwendet wird (japanische Offenlegungsschrift JP-A 62-260710 (1987)).
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In
jedem oben erwähnten
Silizium-Verfahren wird die Wärmeabgabe
während
des Verfestigungsprozesses des Siliziumhalbleiters gesteuert, damit
sie gleich bleibt. Verglichen mit anfänglichen Zuständen, bei denen
das Silizium verfestigt wird, um aus einer flüssigen Phase in eine feste
Phase überzugehen,
wird somit mehr Wärme
durch die feste Phase übermittelt,
wodurch ein großer
Teil in den letzten Zuständen
besetzt wird. Da festes Silizium einen höheren thermischen Widerstand
als flüssiges
Silizium besitzt, ist es jedoch schwierig, die während des Verfestigungsverfahrens
abgegebene Wärme
abzuleiten, was zu einer geringeren Wachstumsrate führt. Wenn
die Wachstumsrate nicht konstant ist, tritt womöglich eine Dehnung oder ein
Defekt auf und verschlechtert die Kristallqualität. Beispielsweise beträgt EPD (Ätzschachtdichte),
ein Index zum Bewerten der Qualität von Kristallprodukten, normalerweise
etwa 105/cm2 für polykristallines
Silizium, was deutlich höher als
der Wert von weniger als 102/cm2 für einen
einfachen Kristall ist.
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Im
Hinblick darauf wurde ein Versuch unternommen, EPD durch Annealing
zu verbessern. In dem durch JP-B2 58-54115 offenbarten Verfahren
wird die Tiegeltemperatur für
das Annealing nach der Verfestigung geregelt (siehe dieselbe Patentveröffentlichung,
Spalte 2, Zeilen 33–36).
Ein Halbleiterblock besitzt im Allgemeinen eine relativ große Form
von etwa 30–50
cm Seitenlänge.
Das Annealing des Halbleiterblocks nach Verfestigung des Halbleiterblocks
verursacht daher einen Temperaturunterschied zwischen dem zentra len
Abschnitt und dem äußeren umlaufenden
Abschnitt des Blocks während
des Annealing-Verfahrens. Das Ergebnis davon ist, dass das Annealing-Verfahren, das dazu
gedacht ist, die Dehnungsbelastung zu lockern, eher dazu tendiert,
eine Spannung zu erzeugen. Die Wirkung des Annealing-Verfahrens kann deshalb
nicht in beträchtlichem
Maße erwartet
werden und der so hergestellte Polykristall besitzt natürlich ein
höheres
EPD.
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Zur
weiteren Verbesserung des oben erwähnten Versuchs hat die Anmelderin
dieser Erfindung ein Patent auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiters mit exzellenten kristallographischen
Eigenschaften und einer geringen Verformung bei Belastung angemeldet,
bei dem die Verfestigung und das Annealing abwechselnd ausgeführt werden
(japanische Patentanmeldung Nr. 7-344136 (1995)). Bei diesem Verfahren
ist aber die Wärmeabgabe über den
gesamten Zeitraum von den ursprünglichen Zuständen bis
zu den letzten Zuständen
des Kristallwachstums konstant, was zu einer geringeren Wachstumsrate
in den letzen Zuständen
verglichen mit den anfänglichen
Zuständen
der Verfestigung führt.
Folglich wird geschätzt,
dass die Hälfte
der Effektivität
des Annealings verloren wird.
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Das
Dokument des Standes der Technik
EP 0 781 865 A2 beschreibt ein Verfahren
zum abwechselnden Annealing und Verfestigen eines Halbleiterrohmaterials.
Die Annealing- und Verfestigungsschritte werden durch ein periodisches
Variieren der Hitzemenge gesteuert, die vom Halbleitermaterial gemäß einem
vorbestimmten Abkühlmuster
während
der Verfestigung des geschmolzenen Halbleitermaterials freigesetzt
wird. Dabei wird die Strömung
des Kühlmittels
derart gesteuert, dass die freigegebene Hitzemenge periodisch zwischen
einer größeren Einstellung
und einer geringeren Einstellung umgeschaltet wird.
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Außerdem offenbart
das Dokument
EP 0 748
884 A1 , das als Stand der Technik gemäß Art. 54(3) und (4) EPÜ anzusehen
ist, einen ersten Schritt zum Herstellen eines polykristallinen
Halbleiters, nämlich
das Schmelzen eines Halbleiterrohmaterials in einem Tiegel, und
beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, die verhindert, dass
Kristallkeime, die notwendig sind, um eine definierte Verfestigung
zu initiieren, geschmolzen werden, während das Halbleiterrohmaterial
im Tiegel geschmolzen wird.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben erwähnten Situation
gemacht, und ihre Aufgabe ist daher, ein Verfahren zum Herstellen
eines polykristallinen Halbleiters mit exzellenten kristallographischen
Eigenschaften und einer geringeren Verformung bei Belastung sowie
geringeren Mängeln
zu schaffen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren,
wie es durch Anspruch 1 spezifiziert ist.
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In
der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen bedeutet "in einer inerten
Atmosphäre" jeweils "in einem Vakuum oder
in einer Atmosphäre
eines inerten Gases, das die Oxidation des erwärmten Halbleiterrohmaterials
verhindert", was
durch ein luftdichtes Gefäß umgesetzt
wird.
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiters weist
folgende Schritte auf:
Beladen eines Tiegels mit Halbleiterrohmaterial
in einer Atomsphäre,
welche in Bezug auf den Halbleiter inert ist;
Erwärmen und
Schmelzen des Halbleiterrohmaterials im Tiegel mittels einer Heizeinrichtung;
Verfestigen
des geschmolzenen Halbleiterrohmaterials, während dem Boden des Tiegels
Wärme entzogen wird;
und anschließend
Abkühlen des
verfestigten Halbleiters, während
der Tiegel gekühlt
wird, wobei ein Zusammenhang zwischen der Abgabe an Wärme und
der Verfestigungsrate, bei der eine Fest-Flüssig-Grenzfläche des
Halbleiterrohmaterials sich bewegt, vorab bestimmt wird, und wobei
bei der Verfestigung des geschmolzenen Halbleiterrohmaterials eine
Wärmeemission
gemäß dem vorbestimmten
Zusammenhang verändert
wird, um die Verfestigungsrate konstant zu halten.
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Beim
Verfestigen des geschmolzenen Halbleiterrohmaterials wird die Wärmeemission
gemäß dem vorbestimmten
Zusammenhang zwischen der Verfestigungsrate und der Wärmeemission
verändert,
um eine konstante Verfestigungsrate sicherzustellen, bei der die
Fest-Flüssig-Grenzfläche des
Halblei terrohmaterials sich bewegt. Da die Verfestigungsrate konstant
gehalten wird, wird auch die Wachstumsrate des Halbleiterkristalls
konstant gehalten, so dass es möglich
ist, einen polykristallinen Halbleiter mit exzellenten kristallographischen
Eigenschaften, einer geringeren Verformung bei Belastung und weniger
Fehlern herzustellen.
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Die
Verfestigung bei konstanter Rate und das Annealing werden während des
Verfestigungsschritts abwechselnd ausgeführt.
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Da
die Verfestigung bei konstanter Rate und das Annealing abwechselnd
durchgeführt
werden, ist es möglich,
die Verformung bei Belastung weiter zu reduzieren.
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Die
Veränderung
in der Wärmeabgabe
wird auf Basis eines Detektionswertes einer Temperaturveränderung
zwischen einem Einlass und einem Auslass für ein Kühlmedium gesteuert, das dem
Boden des Tiegels Wärme
entzieht.
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Das
Kühlmedium,
das dem Boden des Tiegels Wärme
entzieht, erfährt
eine Temperaturänderung
entsprechend der Wärmeabgabe.
Durch Detektieren der Temperaturänderung
zwischen dem Einlass und dem Auslass für das Kühlmedium ist es möglich, auf
einfache Weise eine Bestimmung durchzuführen und somit die Veränderung
in der Wärmeabgabe
zu steuern.
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Die
Veränderung
in der Wärmeabgabe
wird derart gesteuert, dass die Wärmeabgabe sich von anfänglichen
Zuständen
hin zu den letzten Zuständen
des Verfestigungsschritts erhöht.
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Selbst
wenn die Verfestigung des Halbleitermaterials dazu übergegangen
ist, den Anteil der Wärmeabgabe
durch den verfestigten Teil mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
als durch den flüssigen
Teil zu erhöhen,
ist es möglich,
die Verfestigungsrate durch Erhöhung
der Wärmeabgabe
konstant zu halten.
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Das
Erhöhen
der Wärmeabgabe
wird gemäß einer
linearen Funktion gesteuert.
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Da
die Wärmeabgabe
mittels einer linearen Funktion erhöht wird, während die Verfestigung voranschreitet,
ist es möglich,
einen polykristallinen Halbleiter mit geringer Verformung bei Belastung
herzustellen, indem eine einfache Steuerung angewendet wird.
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Die
Veränderung
in der Wärmeabgabe
wird durch Regulierung einer Strömungsrate
eines Kühlmittels gesteuert,
das dem Boden des Tiegels Wärme
entzieht.
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Ein
Erhöhen
oder Absenken der Wärmeabgabe
kann leicht gesteuert werden, indem die Strömungsrate des Kühlmediums
erhöht
oder gesenkt wird, das dem Boden des Tiegels Wärme entzieht.
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Der
Boden des Tiegels ist auf einem Lagerbett platziert, das eine Hohlstruktur
aufweist, wobei die Änderung
in der Wärmeabgabe
durch ein Regeln der Wärme,
die dem Boden des Tiegels entzogen werden soll, gesteuert wird,
und zwar durch Einführen
oder Herausnehmen eines Wärmeisolationsteils
in die oder aus der Hohlstruktur.
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Wenn
das Wärmeisolationsteil
in die Hohlstruktur des Lagerbetts, auf dem der Boden des Tiegels
platziert ist, eingefügt
ist, wird die Übertragung
von Wärme
durch Strahlung in der Hohlstruktur unterdrückt und somit die Wärmeabgabe
reduziert. Wenn der Wärmeisolator
aus der Hohlstruktur herausgezogen ist, wird andererseits die Wärmeabgabe
durch Strahlung weniger unterdrückt,
und somit ist es möglich,
die Wärmeabgabe
zu erhöhen.
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Halbleiterkeimkristalle
werden auf dem Boden des Tiegels angeordnet, bevor das Halbleiterrohmaterial
in den Tiegel geladen wird, wobei der Polykristall aus den Keimkristallen
zum Zeitpunkt der Verfestigung gezüchtet wird.
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Ein
polykristalliner Halbleiter mit exzellenten kristallographischen
Eigenschaften kann aus den Keimkristallen gezüchtet werden.
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Das
Halbleiterrohmaterial ist Polysilizium und der polykristalline Halbleiter
ist polykristallines Silizium.
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Polysilizium
wird vorzugsweise als Halbleiterrohmaterial verwendet, und in diesem
Fall ist der hergestellte polykristalline Halbleiter polykristallines
Silizium. Da eine konstante Verfestigungsrate gesichert werden kann,
tritt bei Belastung eine geringere Verformung auf. Als ein Ergebnis
kann ein polykristallines Silizium mit derart exzellenten kristallographischen
Eigenschaften gezüchtet
werden, dass es für
eine Solarzelle mit einer hohen Umwandlungseffizienz verwendet werden
kann.
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Eine
Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiter weist
auf: ein luftdichtes Gefäß, das in
der Lage ist, eine Atmosphäre,
die bezüglich
des Halbleiters inert ist, darin zu bewahren; einen Tiegel, der in
dem luftdichten Gefäß angeordnet
ist, der mit einem Halbleiterrohmaterial beladen wird; Heizmittel
zum Heizen des Tiegels an oberen Abschnitten eines Bodens des Tiegels,
um das Halbleiterrohmaterial zu schmelzen; ein Lagerbett zum Befestigen
des Tiegels auf diesem mittels Stützen an der Unterseite des
Bodens des Tiegels; Kühlmittel
zum Kühlen
des Lagerbetts; Antriebsmittel zum Bewegen des Lagerbetts, um es
um eine vertikale Achse zu drehen und nach oben oder unten zu bewegen;
und Wärmeabgabesteuermittel
zum Steuern einer Wärmeabgabe
gemäß einer
vorbestimmten Beziehung zwischen Verfestigungsrate und Wärmeabgabe, um
die Verfestigungsrate zum Zeitpunkt der Verfestigung des Halbleiterrohmaterials
konstant zu halten.
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Ein
Halbleiterrohmaterial wird in den Tiegel in eine Atmosphäre, die
für die
Halbleiter inert ist, geladen, und das Halbleiterrohmaterial wird
im Tiegel durch Heizmittel erhitzt und geschmolzen. Nachdem das
Halbleiterrohmaterial geschmolzen ist, wird das geschmolzene Material
verfestigt, während
die Kühlmittel
dem Boden des Tiegels Wärme
entziehen, wodurch ein polykristalliner Halbleiter erzeugt wird,
der in einer Richtung vom Boden zum oberen Ende des Tiegels verfestigt
wird. Die Wärmeabgabe
aus dem Halbleitermaterial wird gemäß einer vorbestimmten Beziehung
zwischen Verfestigungsrate und Wärmeabgabe
gesteuert. Deshalb ist es möglich,
einen polykristallinen Halbleiter mit exzellenten kristallographischen
Eigenschaften und einer geringeren Verformung bei Belastung herzustellen.
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Das
Lagerbett besitzt eine Hohlstruktur, in die ein Wärmeisolator
eingefügt
oder aus der der Wärmeisolator
herausgezogen werden kann.
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Durch
Einführen
des Wärmeisolationsstücks in die
oder Herausnehmen desselben aus der Hohlstruktur des Lagerbetts
ist es möglich,
die Wärmeabgabe
durch Strahlung in der Hohlstruktur zu regeln und somit die Wärmeabgabe
zu steuern.
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Das
Kühlmittel
kühlt das
Lagerbett durch Zirkulieren eines Kühlmediums, und das Wärmeabgabesteuermittel
weist auf: Temperaturveränderungsfeststellmittel
zum Feststellen einer Temperaturveränderung zwischen einem Einlass
und einem Auslass für
das Kühlmittel;
und Einstellmittel zum Ein stellen einer Strömungsrate des Kühlmediums
oder zum Einstellen des eingeführten
Anteils des Wärmeisolators
auf der Basis der Temperaturveränderung,
die vom Temperaturveränderungsfeststellmittel
detektiert wurde.
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Die
Temperatur des Kühlmediums,
das dem Boden des Tiegels Wärme
entzieht, verändert
sich mit der Wärmeabgabe.
Durch Feststellen der Temperaturveränderung zwischen dem Einlass
und Auslass für
das Kühlmedium
ist es möglich,
eine Veränderung
in der Wärmeabgabe
auf einfache Weise festzustellen. Dementsprechend ist die Wärmeabgabe
auf einfache Weise hinsichtlich einer Erhöhung oder einer Abnahme zu steuern,
indem die Strömungsrate
des Kühlmediums,
das dem Boden des Tiegels Wärme
entzieht, erhöht
oder verringert wird. Es ist auch möglich, die Wärmeabgabe
leicht zu steuern, indem das Wärmeisolationsstück in die
Hohlstruktur des Lagerbetts eingefügt oder aus ihr heraus gezogen
wird, wodurch die Wärme
eingestellt wird, die dem Boden des Tiegels entzogen wird.
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Die
Vorrichtung weist weiter auf: Heiztemperaturfeststellmittel zum
Feststellen einer Heiztemperatur T1 des Tiegels, der einer Erhitzung
durch die Wärmemittel
unterzogen wird; Bodentemperaturfeststellmittel zum Feststellen
einer Bodentemperatur T2 der Unterseite des Bodens des Tiegels;
und Steuermittel, die als Reaktion auf die Ausgangssignale der Heiztemperaturfeststellmittel
und Bodentemperaturfeststellmittel die Wärmemittel steuern, um zu erreichen,
dass die Heiztemperatur T1 zum Schmelzpunkt des Halbleiterrohmaterials
oder darüber
hinaus ansteigt, und zum Steuern der Wärmemittel derart, dass die
Heiztemperatur T1 abfällt,
wenn eine Rate Ta der zeitabhängigen
Veränderung
der Bodentemperatur T2 einen eingestellten Wert oder einen höheren Wert
erreicht.
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Da
das Halbleiterrohmaterial Schmelzwärme absorbiert, wenn es schmilzt,
wird die Leistung des Heizmittels durch das Steuermittel gesteuert,
um die Temperatur des Tiegels bei der Erfindung konstant zu halten. Wenn
das Schmelzen des Materials voranschreitet, nimmt die Schmelzwärme, die
verloren wird, ab, was einen Anstieg der Temperatur des Tiegels,
besonders der Unterseite des Bodens des Tiegels, verursacht. Deshalb spiegelt
die Veränderung
in der Bodentemperatur T2 des Tiegels die Schmelzbedingungen des
Halbleiterrohmaterials im Tiegel wider. Somit wird die Rate Ta der
zeitabhängigen
Veränderung
der Temperatur gemessen, und sobald sie den festgelegten Wert oder
einen höheren
Wert erreicht, wird das Heizen des Tiegels durch das Heizmittel
angehalten. Diese Heiztemperatursteuerung verhindert, dass Keimkristalle,
die auf der Bodenfläche des
Tiegels ausgebreitet sind, geschmolzen werden, und sie ist deshalb
in dem Fall wünschenswert,
bei dem die Keimkristalle zum Züchten
eines Halbleiterpolykristalls verwendet werden. Anschließend beginnt
sich der Tiegel schrittweise abzukühlen und das geschmolzene Halbleiterrohmaterial
wird verfestigt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Halbleitermaterial
verfestigt, während
dem Boden des Tiegels Wärme
entzogen wird, und deshalb kann ein polykristalliner Halbleiter
hergestellt werden, der vom Boden zum oberen Bereich des Tiegels
in eine Richtung gewachsen ist.
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Ein
Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens
liegt darin, dass das Verfestigen des Halbleiterrohmaterials mittels
Kühlen
(d.h. Züchten
des Kristalls) und Annealing des Materials gleichzeitig beim Verfestigungsprozess
durchgeführt
werden. Dies kann erreicht werden, indem die Wärmeabgabe des Halbleiterrohmaterials
periodisch verändert
wird. Im Speziellen wächst
der Kristall während
des Zeitraums, in dem die Wärmeabgabe
vergleichsweise groß ist,
gefolgt vom Annealing, das während
des Zeitraums auftritt, in dem die Wärmeabgabe auf ein vergleichsweise
geringes Niveau gedrückt
wird. Während
des Verfestigungsprozesses werden diese Schritte öfter wiederholt
und die Wärmeabgabe
wird periodisch verändert.
Beim Umsetzen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Temperatur in der Nähe
der Fest-Flüssig-Grenzfläche (im
Folgenden als Fest-Flüssig-Temperatur
bezeichnet) des geschmolzenen Halbleitermaterials zur Bodentemperatur
T2 des Bodens des Tiegels hin korrigiert. Und die Temperatur T2
wird auf eine solche Weise eingestellt, dass die Fest-Flüssig-Temperatur
innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bezüglich des Schmelzpunkts des
Halbleiters (z.B. 1420°C
für Polysilizium)
ansteigt und abfällt,
wodurch eine Rahmenbedingung hoher Wärmeabgabe bzw. geringer Wärmeabgabe
erzeugt wird. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß die Verformungsbelastung des
Kristalls zum Zeitpunkt der Verfestigung gelockert, wodurch es möglich ist,
einen hochqualitativen Halbleiterpolykristall mit geringerer Verformungsbelastung
und exzellenten kristallographischen Eigenschaften mit einer hohen
Reproduzierbarkeit zu züchten.
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Der
polykristalline Halbleiter wird außerdem qualitätsmäßig verbessert,
indem die Gesamtlänge
der Zeit, die mit einer vergleichsweise großen Wärmeabgabe verknüpft ist,
auf nicht mehr als das Zehnfache der Gesamtlänge der Zeit, die mit einer
vergleichsweise geringen Wärmeabgabe
während
des Verfestigungsprozesses verknüpft
ist, eingestellt wird.
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Beim
Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiters, bei
dem das Wachstum des Kristalls von Keimkristallen ausgeht, kann
das Schmelzen der Keimkristalle unterdrückt werden und ein polykristalliner Halbleiter
hoher Qualität
kann hergestellt werden, wenn die Rate Ta der zeitabhängigen Veränderung
der Bodentemperatur T2 des Bodens des Tiegels auf einen Bereich
von etwa 0.2°C/min
bis etwa 0.5°C/min
festgelegt wird. Für
Ta < 0.2°C/min bleiben
nicht nur die Keimkristalle, sondern auch das Halbleitermaterial
ungeschmolzen, und es ist unmöglich,
einen Halbleiterpolykristall gleichmäßiger Qualität herzustellen.
Für Ta > 0.5°C/min können wiederum
die Keimkristalle schmelzen, wodurch es ziemlich schwierig wird,
einen zufriedenstellenden Polykristall zu züchten.
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Alle
Schritte des Kristallwachstumsprozesses können automatisiert werden.
Außerdem
wird in dem Fall, bei dem ein polykristalliner Halbleiter unter
Verwendung von Keimkristallen gezüchtet wird, das Schmelzen der
Keimkristalle mit hoher Zuverlässigkeit
unterdrückt,
wodurch es möglich
wird, einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiter herzustellen.
Außerdem
kann in Anbetracht der Tatsache, dass das Kristallwachstum und das
Annealing abwechselnd ausgeführt
werden, wobei die Wärmeabgabe
des Halbleiterrohmaterials periodisch geändert wird, ein Polykristall
hergestellt werden, der ein geringeres EPD besitzt, eine geringe
Verformung unter Belastung und der nur schwer aufgebrochen wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
deutlicher.
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1 ist
ein Längsschnitt,
der schematisch einen Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen eines
polykristallinen Halbleiters zeigt;
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2 ist
ein vergrößerter Längsschnitt,
der schematisch die wesentlichen Teile einer Vorrichtung zum Herstellen
eines polykristallinen Halbleiters zeigt;
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3 ist
ein Temperatursteuerungsdiagramm, das zeitabhängige Veränderungen bei der Detektion der
Temperaturen T1, T2 in einem ersten Thermo element 6 und
einem zweiten Thermoelement 13 und ein Ausgangssignal eines
Hitzemessers 14 zeigt, in dem Fall, bei dem ein Konzept,
das die Basis der Erfindung bildet, angewendet wird;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm gemäß der Steuerbetätigung in 3.
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5 ist
ein Graph, der einen Zusammenhang zwischen der Wärmeabgabe und der Zeit bei
den Schritten des Verfestigens und des Annealings unter der Steuerung
gemäß 3 zeigt;
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6A und 6B sind
Graphen, die eine Verfestigungsrate unter einer Bedingung konstanter
Wärmeabgabe
zeigen, und einen Verfestigungsprozess, wenn die Verfestigungsrate
als konstant gesteuert wird;
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7A und 7B sind
ein Diagramm, das schematisch die Art und Weise zeigt, auf die eine Fest-Flüssig-Grenzfläche bei
der Rahmenbedingung konstanter Wärmeabgabe
voranschreitet, und ein Graph, der eine zeitabhängige Veränderung in der Wachstumsrate
zeigt;
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8 ist
ein Graph, der die Art und Weise zeigt, auf die die Wärmeabgabe über die
Zeit gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung verändert
wird;
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9 ist
ein Temperatursteuerungsdiagramm, das zeitabhängige Veränderungen in den Detektionstemperaturen
T1, T2 des ersten und zweiten Thermoelements 6, 13 und
des Ausgangssignals des Hitzemessers 14 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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10 ist
ein Ablaufdiagramm entsprechend der Steuerungsbetätigung in 9 gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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11 ist
ein Längsschnitt,
der ein Beispiel einer Hohlstruktur eines Lagerbetts 20 zeigt,
das in einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird;
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12 ist
ein Längsschnitt,
der ein Wärmeisolationselement 21 zeigt,
das sich in der Hohlstruktur des Lagerbetts 20 aus 11 erstreckt;
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13 ist
ein Temperatursteuerungsdiagramm, das zeitabhängige Veränderungen in den Detektionstemperaturen
T1, T2 des ersten und zweiten Thermoelements 6, 13 und
des Ausgangssignals des Hitzemessers 14 gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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14 ist
ein Ablaufdiagramm entsprechend der Steuerungsbetätigung gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung nach 13; und
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15 ist
ein Diagramm, das schematisch eine Fest-Flüssig-Grenzfläche zeigt,
die gebildet wird, wenn die Verfestigung und das Annealing wiederholt
abwechselnd gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung ausgeführt
werden.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Bezug
nehmend auf die Zeichnungen werden nun bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung zum Herstellen von polykristallinen
Halbleitern gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nun detailliert und unter Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben.
Obwohl das Halbleiterrohmaterial, das zur Verwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung erhältlich
ist, beispielhaft lediglich durch Silizium (Si) angegeben wird,
können
auch andere Materialien wie Germanium (Ge) bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendet werden.
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1 ist
ein Längsschnitt,
der schematisch einen Aufbau einer Vorrichtung zum Herstellen von
polykristallinen Halbleitern gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Vorrichtung weist einen luftdichten
Behälter 1 auf,
der den Durchtritt von Luft verhindert. Der luftdichte Behälter 1 kann
mit einer äußeren Vakuumpumpe über eine
vakuumdichte Türöffnung (nicht
dargestellt) verbunden sein, um ein Vakuum innerhalb des Behälters zu
erzeugen. Alternativ kann der Behälter so gestaltet sein, dass
er ein inertes Gas wie Argon bei normalem Druck oder einem leichten Überdruck
zirkuliert, wobei in diesem Fall der Halbleiter, der im luftdichten
Behälter 1 bis
zum Schmelzen erhitzt wird, nicht negativ durch Oxidation beeinflusst
wird, da die Atmosphäre
innerhalb des luftdichten Behälters 1 nicht
oxidierend ist.
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In
dem luftdichten Behälter 1 ist
ein zylindrischer Heizofen 4 vorgesehen, der einen Wärmeisolator 2 und
ein Heizelement 3 aufweist, und in einem Abstand von der
Seitenwand des Behälters
angeordnet ist. Sowohl der Wärmeisolator 2 als
auch das Heizelement 3 bestehen beispielsweise aus Kohlenstofffasern
oder Graphit. Das Heizelement 3 kann aus einem elektrischen
Leiter wie Metall gebildet sein. Eine Induktionsheizspule 5 ist
um den Heizofen 4 gewickelt, insbesondere entlang des Abschnitts
seiner äußeren Oberfläche, die dem
Heizelement zugewandt ist. Die Induktionsheizspule 5 wird
mit einem hochfrequenten Strom mit einer Frequenz von etwa 10 kHz
versorgt, um das Heizelement 3 mittels Induktion zu erhitzen.
Ein erstes Thermoelement 6 zum Messen einer Heiztemperatur
T1, welche eine Temperatur des Heizelements 3 ist, ist
in die Seitenwand des Heizelements 3 durch ein Installationsrohr
eingeführt.
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Das
Thermoelement 6 und die Induktionsheizspule 5 sind über entsprechende
Leitungen 8 mit einer Steuerung 7 verbunden, die
außerhalb
des luftdichten Behälters
angeordnet ist. Die Steuerung 7 ist so ausgestaltet, dass
sie die Stromversorgung der Induktionsheizspule 5 als Reaktion
auf das Ausgangssignal des Thermoelements 6 gesteuert,
um damit die Temperatur des Heizofens 4 wie gewünscht zu
erhöhen
oder zu senken.
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Ein
Tiegel 9, der mit einem Halbleiterrohmaterial und, wenn
notwendig, mit Keimkristallen beladen wird, ist innerhalb des luftdichten
Behälters 1 angeordnet.
Der Tiegel 9 ist im Innenraum angeordnet, der vom Heizofen 4 begrenzt
wird, und zwar in geeignetem Abstand von der Seitenwand und dem
oberen Ende des Heizofens 4. Der Tiegel 9 kann
beispielsweise aus einem Silica-Material oder einem Graphit-Material
bestehen; er kann auch aus einem anderen Material wie Tantal, Molybdän, Wolfram,
Siliziumnitrid oder Bornitrid bestehen. Der Tiegel 9 kann
wie gewünscht
geformt sein, solange seine Geometrie mit der Innenraumkonfiguration
des Heizofens 4 zusammenpasst, und kann zylindrisch, rechteckig
oder dergleichen geformt sein.
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Der
Tiegel 9 ist in dem luftdichten Behälter 1 angeordnet,
wobei sein Boden auf einem Lagerbett 10 befestigt und gelagert
ist. Das Lagerbett 10 besitzt vorzugsweise eine geschichtete
Struktur, die aus einer Oberflächenschicht 10a und
einer Bodenschicht 10c aus Graphit sowie einer Zwischenschicht 10b aus
Kohlenstofffasern aufgebaut ist. Das Lagerbett 10 ist auf
einem Sockel befestigt, und der Sockel 11 ist auf einem oberen
Ende eines zylindrischen Elements 12 befestigt, das eine
Verbindung vom Sockel 11 nach unten herstellt, um zu ermöglichen,
dass sich der Sockel 11 um die Längsmittelachse dreht. Die Drehung
des zylindrischen Elements 12 wird über das Lagerbett 10 vom
Sockel 11 auf den Tiegel 9 übertragen, und deshalb dreht sich
der Tiegel 9 ebenfalls, wenn sich das zylindrische Element 12 dreht.
Wenn Halbleiterrohmaterial in den Tiegel 9 geladen wird
und der Tiegel 9 im Heizofen 4 erhitzt wird, dient
die Drehung dazu, im Tiegel 9 eine gleichmäßige Temperaturverteilung
des Halbleiterrohmaterials zu gewährleisten.
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Wie
in 2 dargestellt besitzt der Sockel 11 eine
hohle Doppelstruktur und ist mit einem Kühlabschnitt 11a ausgestattet,
und das zylindrische Element 12 ist ebenfalls als Doppelleitung
ausgebildet. Ein Kühlmedium
(z.B. Kühlwasser)
wird im Kühlabschnitt 11a zirkuliert,
um das Lagerbett 10, das auf dem Sockel 11 gelagert
ist, zu kühlen.
Eine Bodentemperatur T2 des Tiegels 9 wird durch ein zweites
Thermoelement 13 festgestellt.
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Wie
in 1 dargestellt ist ein Hitzemesser 14 am
Kopf des Heizofens 4, d.h. dem Abschnitt des Heizelements 3,
der direkt über
dem Tiegel 9 angeordnet ist, befestigt. Dieser Hitzemesser 14 detektiert
die Strahlungshitze des Halbleiterrohmaterials im Tiegel 9,
um die Oberflächentemperatur
des Materials zu messen. Der Hitzemesser 14 kann auch eine
Differenz in der Abstrahlung detektieren, die davon abhängt, ob
das Halbleiterrohmaterial in einer flüssigen Phase oder einer festen
Phase vorliegt. Dementsprechend ist der Hitzemesser 14 hilfreich
bei der Bestimmung des Voranschreitens des Schmelzens des Halbleiterrohmaterials,
während es
zum Schmelzen erhitzt wird, oder des Voranschreitens der Verfestigung
des Materials, während
es in den festen Zustand abgekühlt
wird. Das Ausgangssignal des Hitzemessers 14 wird in die
Steuerung 7 eingegeben.
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Das
Kühlmedium
wird dem zylindrischen Element 12 aus einem Kühlmediumbehälter 15 kontinuierlich zugeführt. Dadurch
ermöglicht
dieser Kühlmechanismus
dem Lagerbett 10, Wärme
mit der Unterseite des Bodens des Tiegels, die sich in Kontakt damit
befindet, auszutauschen, um den Boden zu kühlen. Der Sockel 11 und
das zylindrische Element 12 werden durch Antriebsmittel 16,
die außerhalb
des luftdichten Behälters 1 vorgesehen
sind, nach oben oder unten bewegt, und der Tiegel 9 wird
gleichzeitig mit der Aufwärts-
oder Abwärtsbewegung
emporgehoben oder abgesenkt. Die Entfernung zwischen dem Heizofen 4 und
dem Tiegel 9 kann auf diese Weise verkürzt oder verlängert werden.
Wie oben erwähnt
sorgt das Antriebsmittel 16 zusätzlich für die Rotation des zylindrischen
Elements 12 um die Achse.
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Halbleiterrohmaterial,
das in den Tiegel 9 geladen wird, wird vom oberen Ende
des Tiegels zum Schmelzen erhitzt und vom Boden des Tiegels zum
Verfestigen abgekühlt.
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Ein
kennzeichnender Gesichtspunkt des Aufbaus der Herstellungsvorrichtung
gemäß der Erfindung liegt
in einem zweiten Thermoelement 13, das sich in Kontakt
mit der Unterseite des Bodens befindet, und zwar in der Nähe der Bodenmitte
des Tiegels 9, und das in der Oberflächenschicht 10a des
Lagerbetts 10 integriert ist. 2 ist eine
vergrößerte Ansicht
des Hauptteils in der Nähe
eines Mittelabschnitts des Bodens des Tiegels 9. Dieses
Thermoelement 13 wird verwendet, um eine Bodentemperatur
T1 zu messen, die eine Temperatur an der Unterseite des Bodens des
Tiegels ist, und es ist elektrisch über eine Leitung auf dieselbe
Weise wie das erste Thermoelement 6 mit der Steuerung 7 verbunden.
Dementsprechend ermöglicht
die Steuerung 7 eine Steuerung der Stromversorgung der
Induktionsheizspule 5, um die Temperatur des Heizofens 4 als
Reaktion auf das Ausgangssignal des zweiten Thermoelements 13 bezüglich der
Bodentemperatur T2 zu erhöhen
oder zu senken.
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3 und 4 zeigen
ein Steuerungskonzept, das in der japanischen Offenlegungsschrift
7-341136 beschrieben ist, als Basis der vorliegenden Erfindung. 3 ist
ein Graph, der die zeitabhängige
Veränderung der
Heiztemperatur T1 und der Bodentemperatur T2 darstellt, die jeweils
vom ersten und zweiten Thermoelement 6 bzw. 13 ausgegeben
werden. Im Graph bezeichnet L1 die Kurve von T1, L2 bezeichnet die
Kurve von T2 und L3 bezeichnet die Kurve des Ausgangssignals des
Hitzemessers 14. Wie später
beschrieben wird, ist 4 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung
der Betätigung
der Steuerung 7, die in 1 dargestellt
ist. Als Reaktion auf die Ausgabe der Heiztemperatur T1, die vom
ersten Thermoelement 6 detektiert wurde, und die Ausgabe
der Bodentemperatur T2, die vom zweiten Thermoelement 13 detektiert
wurde, führt
die Steuerung 7 die Schritte aus 4 aufeinander
folgend aus. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Veränderung
von T1 und T2 über
die Zeit beispielsweise zu verfolgen, indem die Steuerung 7 für den Schritt
des Erhöhens
oder Senkens der Temperatur des Heizofens 4 und die anderen
Schritte des Anhebens oder Absenkens des zylindrischen Elements 12 manuell
betätigt
wird, anstatt auf ein wie in 4 dargestelltes
Ablaufdiagramm Bezug zu nehmen.
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Um
die Verfestigungsrate konstant zu halten, muss die Wärmeabgabe
kontinuierlich verändert
werden. Beim Annealing-Verfahren nach der Verfestigung muss die
Wärmeabgabe
andererseits periodisch verändert
werden.
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Jeder
Schritt des Verfahrens zum Herstellen eines polykristallinen Halbleiters,
das eine Basis der vorliegenden Erfindung bildet, wird nun detailliert
unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
Das Verfahren beginnt bei Schritt a0, bei dem Polysilizium, das
das Halbleiterrohmaterial 17 ist, in den Tiegel 9 geladen wird.
Dieser Beladeschritt wird vorzugsweise außerhalb des luftdichten Behälters 1 aus 1 durchgeführt. Der
Tiegel 9, der das Polysilizium enthält, wird auf der oberen Oberfläche des
Lagerbetts 10, welches auf dem Sockel 11 montiert
ist, angeordnet, wobei die Mitte des Tiegels 9 mit der
Mitte des Sockels und des Lagerbetts ausgerichtet ist. Das Antriebsmittel 16 wird
verwendet, um das zylindrische Element 12 und den Sockel 11 anzuheben,
und der Tiegel 9 wird an einer vorbestimmten Stelle innerhalb
des Heizofens 4 angeordnet. Vor der Betätigung des Heizofens 4 wird
Wasser durch den Sockel 11 und das zylindrische Element 12 zirkuliert,
und es wird sichergestellt, ob der Boden, insbesondere die Bodenunterseite
des Tiegels 9, von dem Kühlmechanismus gekühlt wird.
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Zudem
wird vor dem Heizen des Heizofens 4 das zylindrische Element 12 durch
das Antriebsmittel 16 um die vertikale Achse gedreht, um
ein gleichmäßiges Erhitzen
des Polysiliziums im Tiegel 9 sicherzustellen.
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Anschließend wird
ein Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 7 kHz an die Induktionsheizspule 5 bei
Schritt a1 angelegt, um deren Erhitzen zu initiieren, wenn ihre
Temperatur T30 (z.B. Umgebungstemperatur) beträgt. Das Heizen zum Erhöhen der
Temperatur wird mit einem Temperaturgradienten von etwa 400°C/h durchgeführt, bis
die Heiztemperatur T1, die vom ersten Thermoelement 6 festgestellt
wird, eine eingestellte Temperatur T20 erreicht, beispielsweise
etwa 1540°C.
Die vergangene Zeit t1 bis zum Erreichen der eingestellten Temperatur
vom Beginn des Heizvorgangs an liegt typischerweise bei etwa 4.5
Stunden. Schritt a1 wird so lange wiederholt, bis die Bestimmung
in Schritt a1 zu einem "Nein" führt, während auf
ein "Ja"-Ergebnis hin das Verfahren zu Schritt
a2 voranschreitet, bei dem der Induktionsheizspule 5 elektrische
Leistung zugeführt wird,
um die Heiztemperatur T1, die vom ersten Thermoelement 6 detektiert
wird, bei einer eingestellten Temperatur T20 auf Grund der Steuerung 7 aufrecht
erhalten wird. Bei Schritt a2 erreicht das Polysilizium im Tiegel 9 seine
Schmelztemperatur (etwa 1420°C),
und das Schmelzen schreitet vom obersten Bereich zum Boden des Tiegels
voran. Der Schmelzvorgang kann durch den Hitzemesser 14. überwacht
werden.
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Weil
das Kühlmedium
wie in 2 dargestellt durch den Sockel 11 zirkuliert
wird, um das Lagerbett und außerdem
die Bodenunterseite des Tiegels zu kühlen, wird der untere Abschnitt
einschließlich
des Bodens des Tiegels auf einer niedrigeren Temperatur gehalten
als der obere Abschnitt des Tiegels. Dies wird auch ersichtlich
aus den scharfen Führungsflanken
der Gradienten L1 und L2, die in 3 dargestellt
sind. Da die Heiztemperatur T1, die vom Thermoelement 6 detektiert
wird, wie oben erwähnt
auf dem konstanten Wert T20 gehalten wird und das Heizen durch den
oberen Abschnitt und die Seitenwand des Tiegels kontinuierlich ist, steigt
die Bodentemperatur T2, die vom zweiten Thermoelement 13 detektiert
wird, zusammen mit der Heiztemperatur T1, die vom ersten Thermoelement 6 detektiert
wird, dies jedoch langsamer.
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Wie
in 3 dargestellt wird der Gradient von L2 flach,
wenn die Temperatur sich an die Schmelztemperatur von Silizium annähert. Zum
Zeitpunkt t2 sind vom Zeitpunkt t1 ab ca. 2.5 Stunden vergangen.
Da das Polysilizium nach dem Zeitpunkt t2 Wärme absorbiert, um zu schmelzen,
wird verhindert, dass die Bodentemperatur T2, die vom zweiten Thermoelement 13 detektiert
wird, ansteigt. Deshalb wird die Rate Ta (°C/min) der zeitabhängigen Änderung
pro Zeiteinheit W der Bodentemperatur T2 auf der Basis des Ausgangssignals
des zweiten Thermoelements 13 überwacht, und ein Zeitpunkt
(t3), bei dem Ta einen vorbestimmten Wert (z.B. 0.2°C/min) oder
mehr erreicht, wird festgestellt. Der Zeitpunkt t3 liegt beispielsweise
4 Stunden nach dem Zeitpunkt t2. Schritt 2 wird so lange
wiederholt, wobei die Heiztemperatur T1 auf dem anfänglichen
vorbestimmten Wert T20 gehalten wird, wie die Bestimmung in Schritt
a2 zu einem "Nein" führt.
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Dann
schreitet das Verfahren zum nächsten
Schritt a4, um die Heiztemperatur T2 mit einem Temperaturgradienten
von 300°C/h
mittels der Steuerung 7 zu verringern. Gleichzeitig wird
der Sockel 11 durch das Antriebsmittel 16 mit
einer Geschwindigkeit von ca. 7 mm/h abgesenkt. Der Sockel 11 wird
vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von einer Umdrehung pro Minute
oder weniger gedreht, so dass die Temperatur des schmelzenden Polysiliziums
korrekt geregelt wird. Während
der folgenden Schritte dreht sich der Tiegel 9 weiter.
Beim Schritt a4 wird die Heiztemperatur T1 weiter verrin gert, und
wenn bei Schritt 5 festgestellt wird, dass die Temperatur
die eingestellte Temperatur T21 (z.B. etwa 1440°C) erreicht hat, fährt das
Verfahren fort mit Schritt a6. Der Zeitpunkt t4 liegt beispielsweise
etwa 0.3 Stunden nach dem Zeitpunkt t3. Wenn das Bestimmungsergebnis
beim Schritt a5 "Nein" ist, kehrt der Ablauf
zu Schritt a4 zurück.
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In
Schritt a6 wird der Induktionsheizspule 5 kontinuierlich
Leistung zugeführt,
wobei dies durch die Steuerung 7 kontrolliert wird, um
die Heiztemperatur T1, die vom ersten Thermoelement 6 detektiert
wird, bei der eingestellten Temperatur T21 zu halten. Im Schritt
a7 wird bestimmt, ob der Verfestigungsschritt vervollständigt wurde
oder nicht, und zwar auf der Basis der Veränderung im Ausgangssignal des
Hitzemessers 14. Wenn festgestellt wird, dass die Verfestigung
nicht vervollständigt
ist, kehrt der Ablauf zu Schritt a6 zurück. Das Signalniveau des Ausgangssignals
des Hitzemessers 14 wird, wie durch Kurve L3 zu sehen ist,
kleine Fluktuationen aufweisen, da die Wärmeabgabe der Flüssigkeit
detektiert wird, wenn das Silizium geschmolzen wird. Nach Vervollständigung
der Verfestigung misst der Hitzemesser 14 die Wärmeabgabe
aus dem festen Material, so dass die feinen Fluktuationen im Ausgangssignal
nicht länger
festgestellt werden. Ob die Verfestigung vervollständigt ist
oder nicht, wird durch Detektion dieser Veränderungen beurteilt.
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Wenn
die Vollendung des Abkühlens
des Siliziums zum Zeitpunkt t5 (z.B. 14 bis 17 Stunden nach Verfahrensbeginn)
im Schritt a7 bestimmt wird, fährt
der Ablauf mit Schritt a8 fort, bei dem die Kühlbetätigung mit einem Temperaturgradienten
von etwa 100°C/h
durchgeführt
wird, um die Heiztemperatur T1 zur normalen Temperatur abzusenken.
Im Schritt a9, nachdem die volle Verfestigung des Siliziums ermittelt
wurde (etwa 15 Stunden später),
wird der Tiegel 9 aus dem luftdichten Behälter 1 herausgenommen.
Der hergestellte Polysiliziumblock wird aus dem Tiegel 9 entfernt,
um ein polykristallines Silizium bereitzustellen, das in einer einzigen Richtung
vom Boden zum oberen Bereich des Tiegels hin verfestigt wurde. Typischerweise
dauert es etwa 40 Stunden, um die Schritte a1 bis a9 zu durchlaufen.
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Die
vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft ausgeführt werden,
indem die eingestellte Temperatur T20, die Rate Ta der zeitabhängigen Veränderung
und die eingestellte Temperatur T21, auf die in den Schritten a1,
und a5 Bezug genommen wird, auf geeignete Werte voreingestellt werden,
die in einen Computer eingegeben werden, um eine nachfolgende Beur teilung
bei jedem Schritt zu ermöglichen,
und zwar auf der Basis des Ergebnisses, ob die gefundenen Werte
diese voreingestellten Werte erreicht haben, und um die Steuerung 7 zu
steuern, um die Schritte zum Regeln der Temperatur und zum Kühlen im
Heizofen 4 durchzuführen.
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Gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung wird die Wärmeabgabe
kontinuierlich oder periodisch durch eine Regulierung der Flussrate
des Kühlmediums,
das im Sockel 11 der Herstellvorrichtung zirkuliert, verändert. Die
Wärmeabgabe
wird Bekannterweise durch die unten angegebene Gleichung 1 in dem
Fall ausgedrückt,
in dem das Kühlmedium
Wasser ist. Wärmeabgabe
(kW) = {Flussrate des Kühlmediums
(l/min) × T(°C)}/14.34 (1)T: Temperaturveränderung
zwischen Einlass und Auslass des Kühlmediums
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Um
die Wärmeabgabe
kontinuierlich oder periodisch zu verändern, wie auf die oben erwähnte Weise beabsichtigt
ist, wird ein Kühlungsmuster
im Verfestigungsprozess des Halbleiterrohmaterials 17 wie
in 5 dargestellt voreingestellt, und die Flussrate
des Kühlmediums
wird kontinuierlich verändert.
Andererseits wird die Flussrate des Kühlmediums für die periodische Änderung
eingestellt, um zwischen einem eingestellten Wert Q1, der mit einer
großen
Wärmeabgabe
verknüpft
ist, und einem eingestellten Wert Q2, der mit einer geringen Wärmeabgabe
verknüpft
ist, abzuwechseln.
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Beim
einfachsten Verfahren zum Sicherstellen einer konstanten Wachstumsrate
des Kristalls gemäß der Erfindung
wird der Halbleiter im Tiegel 9 erhitzt und unter im Wesentlichen
denselben Bedingungen erhitzt und geschmolzen wie die tatsächlichen
Bedingungen, die für
die Halbleiterherstellung geplant sind, und ein Material mit einem
hohen Schmelzpunkt wie eine Keramikstange wird in das geschmolzene
Halbleitermaterial 17, das begonnen hat, sich zu verfestigen,
eingeführt,
und die Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche wird
unter Bezugnahme auf die Position der Stange, die die Fest-Flüssig-Grenzfläche berührt, aufgezeichnet.
In Übereinstimmung
mit der zeitabhängigen
Veränderung
der so aufgezeichneten Position der Fest-Flüssig-Grenzfläche wird
eine Verfestigungsrate bestimmt. Gleichzeitig wird eine Einlasstemperatur
T3 und eine Auslasstemperatur T4 des Kühlmediums gemessen und von
einem dritten bzw. vierten Thermoelement 22 und 23 auf gezeichnet, wie
in 1 gezeigt. Dieses Verfahren wird bis zur vollständigen Verfestigung
wiederholt. Da T = T4 – T3
gilt, sobald die Flussrate des Kühlmediums
bestimmt ist, ist es möglich,
die Wärmeabgabe
und die Korrelation davon mit der Verfestigungsrate in Übereinstimmung
mit Gleichung 1 zu bestimmen. Auf diese Weise kann die Verfestigungsrate
auf der Basis einer Temperaturdifferenz T zwischen der Einlasstemperatur
T3 und der Auslasstemperatur T4, die während der Halbleiterherstellung
konstant ausgelesen werden kann, und auf Basis der Flussrate des
Kühlmediums
in diesem Beispiel gesteuert werden.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Verfestigungsrate des Halbleiters 17 zu einem
konstanten Wert hinsichtlich der Temperaturdifferenz T zwischen
der Einlasstemperatur T3 und der Auslasstemperatur T4 des Kühlmediums
gesteuert. Spezieller kann gesagt werden, dass die Wärmeabgabe
im Wesentlichen durch Verändern
der Quantität
des Kühlmediums
wie Kühlwasser
gesteuert wird.
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6 zeigt ein Beispiel der zeitabhängigen Veränderung
der Verfestigungsrate. 6A zeigt die Veränderung
in der Verfestigungsrate, wobei die Wärmeabgabe konstant gehalten
wird. In den letzten Stadien der Verfestigung bildet der feste Anteil,
anders als in den ursprünglichen
Stadien, einen thermischen Widerstand, und deshalb nimmt die Verfestigungsrate
ab. 6B zeigt das Ergebnis des Steuerns der Verfestigungsrate mittels
Veränderung
der Quantität
des Kühlwassers
und somit einer kontinuierlichen Veränderung der Wärmeabgabe über die
Zeit, während
die Temperaturdifferenz zwischen der Einlasstemperatur T4 und der
Auslasstemperatur T3 des Kühlwassers überwacht
wird. Die Menge des Kühlwassers
wird kontinuierlich von 15 (l/min) auf 20 (l/min) verändert. Da
diese Bedingungen von der Größe des Tiegels 9,
der Struktur des Sockels 11 oder dergleichen abhängen, ist
es notwendig, optimale Bedingungen für jede Beschickung des Halbleiters 17 zu
bestimmen.
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7 zeigt den Zusammenhang zwischen der
Wachstumsrate des Kristalls und der Zeit. Wie in 7A dargestellt,
befindet sich die Fest-Flüssig-Grenzfläche 18 zwischen
dem festen Teil 17S und dem geschmolzenen Teil 17L des
Siliziums, das den Halbleiter 17 im Tiegel 9 bildet,
auf einem Niveau der Länge
L(t) vorn Boden des Tiegels und ist eine Funktion der Zeit t. Solange
die Kühlbedingung
an der Bodenfläche
des Tiegels 9 konstant ist, erfährt die Wachstumsrate eine
Veränderung,
wie in 7B dargestellt ist.
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Für die Wachstumsrate
kann der durch die Gleichung (2) unten dargestellte Zusammenhang
angenommen werden. Wachstumsrate ∝ Wärmeabgabe
an der Fest-Flüssig-Grenzfläche
∝ Wärmeleitfähigkeit
des festen Si × (Bodenfläche s des
festen Teils des Siliziums/Länge
L des festen Teils des Siliziums) (2)
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Folglich
ist es für
die Steuerung der Wachstumsrate auf einen konstanten Wert notwendig,
die Wärmeabgabe
an der Fest-Flüssig-Grenzfläche konstant
zu halten. Es sei vorausgesetzt, dass die Änderungsrate der Wärmeabgabe
an der Kühleinheit
H(t) und die Wärmeleitfähigkeit
des festen Si σ ist.
Dann muss die unten angegebene Gleichung (3) erfüllt sein.
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In
dieser Gleichung ist A eine Konstante abhängig von der Größe und der
Kühlfähigkeit
des Tiegels 9. Aus Gleichung (3) kann die unten angegebene
Gleichung (4) erhalten werden. ΔH(t)
= A/(σ × S) × L(t) (4)
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Solange
L(t), d.h. die Wachstumsrate, konstant ist, bleibt die Veränderung
H(t) der Wärmeabgabe über die
Zeit auch konstant. Wie in 8 dargestellt
muss daher die Wärmeabgabe
H(t) als eine lineare Funktion der Zeit erhöht werden.
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9 zeigt
eine Temperatursteuerungscharakteristik gemäß dieser Ausführungsform
und 10 ist ein Ablaufdiagramm für die Temperatursteuerung.
Der Ablauf bis hin zu Zeitpunkt t4 in 9 ist grundsätzlich ähnlich zu
dem entsprechenden Ablauf aus 3. Auch
die Schritte b0 bis b5 und b7 bis b9 in 10 sind äquivalent
zu den Schritten a0 bis a5 und a7 bis a9 in 4. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Wärmeabgabe
H(t) während
des Zeitraums von t4 bis t5 in 9 in Übereinstimmung
mit einer empirischvorbestimmten Beziehung gesteuert, wodurch eine
konstante Verfestigungsrate, d.h. eine konstante Kristallwachstumsrate,
sichergestellt wird. Dieser Zusammenhang kann durch eine lineare
Funktion angenähert
werden, die wie in 8 dargestellt linear ansteigt.
Die Steuerungsbetätigung
entsprechend einer linearen Funktion vereinfacht den Steuerungsablauf.
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Vom
Beginn der Verfestigung an wird die Flussrate des Kühlmediums
in Übereinstimmung
mit dem empirisch bestimmten Zusammenhang zwischen der Verfestigungsrate
und der Wärmeabgabe
gesteuert, der aus der Temperaturdifferenz T zwischen dem Einlass
und dem Auslass des Kühlmediums
und der Flussrate des Kühlmediums
berechnet wird, wodurch die Verfestigungsrate durch den Verfestigungsprozess
hindurch konstant gehalten wird.
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Wie
beispielsweise in 1 dargestellt wird die Menge
des Kühlwassers,
das ein Kühlmedium
bildet, gemäß einem
Programm gesteuert, das zuvor in der Steuerung 24 eingestellt
wird. Die Einlasstemperatur T3 und die Auslasstemperatur T4 des
Kühlwassers
und die durch einen Kühlwassermesser 25 festgestellte
Wassermenge werden an die Steuerung 24 weitergeleitet,
und der Öffnungsgrad
eines Magnetventils a6 kann gesteuert werden, während die Temperaturdifferenz überwacht
wird. Dies führt
zu einem großen
Vorteil darin, dass eine konstante Verfestigungsrate automatisch
sichergestellt werden kann.
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Die
Wärmeabgabe,
die durch Veränderung
der Flussrate des Kühlmediums
auf geeignete Weise gesteuert werden kann, kann alternativ durch
Veränderung
des Kühlmediums
selbst gesteuert werden. Zu diesem Zweck kann der Kühlmechanismus
aus zwei oder mehr Systemen aufgebaut sein, zwischen denen das Kühlmedium
durch Öffnen/Schließen des
Magnetventils hin- und hergeschaltet werden kann. Für das Kühlmedium
in der obigen Konfiguration wird eine geeignete Kombination von
Wasser, Heliumgas, Kohlenstoffdioxid etc. gewählt. Durch Verwendung einer
solchen Kombination von Kühlmedien
ist es möglich,
den Wärmeabnahmeeffekt
des Kühlmediums
zu steuern.
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11 und 12 zeigen
Konfigurationen eines Lagerbetts 20 einer Herstellvorrichtung
für einen
polykristallinen Halbleiter gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Die Herstellvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform
besitzt im Wesentlichen dieselben Elemente wie die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
außer
das Lagerbett 10. Die Herstellvorrichtung gemäß dieser
Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform jedoch darin, dass
das Lagerbett eine Hohlstruktur besitzt, in die ein Wärmeisolationselement 21 eingefügt und aus
der es wieder entnommen werden kann. Das Lagerbett 20 weist
eine Oberflächenschicht 20a,
einen hohlen Abschnitt 20b und eine Bodenschicht 20c auf.
Die Ober flächenschicht 20a,
die Bodenschicht 20c und eine Seitenwand 20e sind
aus Graphit gebildet und definieren den hohlen Abschnitt 20b.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird, wenn dem Boden des Tiegels 9 durch Kühlen des
Lagerbetts 20 zum Hervorrufen der Verfestigung Hitze entzogen
wird, Wärme
durch Strahlung in den hohlen Abschnitt 20b übertragen.
Angesichts dessen kann das Einfügen
des Wärmeisolationselements 21 in
den hohlen Abschnitt 20b zum Blockieren der Strahlung die
Abkühlung
des Tiegels 9 von der Unterseite seines Bodens aus unterdrücken. Das
Wärmeisolationsstück 21,
das für
diesen Zweck verwendet wird, ist vorzugsweise aus einem oder mehreren
Materialien wie Gold, Platin, Silber, Wolfram, Kohlenstofffasern
und Tantal gebildet.
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Trotzdem
können
andere als die oben erwähnten
Materialien mit hohen Strahlungswirkungsgraden und hohen Schmelzpunkten
verwendet werden und denselben Effekt liefern. Das Wärmeisolationselement 21 kann
als einfache Metallplatte ausgebildet sein oder ansonsten auch eine
mehrschichtige Struktur sein, die wie in 11 und 12 dargestellt
ausgefahren und seitlich verschoben werden kann. Diese Art eines
Wärmeisolationselements 21 wird
in den hohlen Abschnitt 20b eingeführt und ausgefahren, mit dem
Ergebnis, dass das Wärmeisolationselement 21 die
Wärmestrahlung
zwischen der Oberflächenschicht 20a und
der Bodenschicht 20c des Lagerbetts 20 wie in 12 dargestellt
blockiert. Zu diesem Zeitpunkt wird eine minimale Wärmeabgabe
erzielt. Andererseits wird eine maximale Wärmeabgabe erzielt, wenn das
Wärmeisolationselement 21 entfernt
wird oder wie in 11 dargestellt kürzer gemacht
wird.
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13 zeigt
eine Temperatursteuerungscharakteristik gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung, und 14 zeigt ein Ablaufdiagramm
für die
Temperatursteuerungsbetätigung.
Der Ablauf bis zum Zeitpunkt t4 in 3 entspricht
grundsätzlich
dem aus 3 und 9. Auch
die Schritte c0 bis c5 und c7 bis c9 in 14 entsprechen
den Schritten a0 bis a5 und a7 bis a9 in 4 sowie
den Schritten b0 bis b5 und b7 bis b9 in 1. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird die Wärmeabgabe
H(t) während
des Zeitraums von Zeitpunkt t4 bis t5 in 9 in Übereinstimmung
mit einem Zusammenhang gesteuert, der experimentell bestimmt wurde,
während
der Annealing-Prozess gleichzeitig durchgeführt wird. Für das Annealing wird die Menge
des Kühlwassers,
das ein Kühlmedium
bildet, geregelt, und wenn die Temperatur der Fest-Flüssig-Grenzfläche, die als
die Heiztemperatur T1 ge messen wird, beispielsweise 1422°C erreicht,
wird die Flussrate des Kühlwassers für eine optimale
Länge an
Zeit auf ihrem Niveau gehalten. Anschließend wird die Flussrate des
Kühlwassers wieder
auf das Niveau zurückgesetzt,
das den Bedingungen zum Sicherstellen einer konstanten Verfestigungsrate
wie in der ersten Ausführungsform
genügt.
In Schritt c6 in 14 werden das Annealing und
die Verfestigung des Materials abwechselnd wiederholt, indem die
Wärmeabgabe
in regelmäßigen Zeitintervallen für eine bestimmte
Länge an
Zeit abgesenkt wird, während
der Tiegel 9 zum Fortführen
der Verfestigung nach unten bewegt wird.
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15 ist
ein schematisches Diagramm, das den Zustand der Fest-Flüssig-Grenzfläche zeigt,
wenn das Annealing und die Verfestigung abwechselnd gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
wiederholt werden. Das Silizium, das das Halbleiterrohmaterial 17 im
Tiegel 9 bildet, weist einen geschmolzenen flüssigen Teil 17L,
einen festen Teil 17S unter dem flüssigen Teil 17L sowie
eine Fest-Flüssig-Grenzfläche 18 auf,
die zwischen den beiden Teilen 17S und 17L ausgebildet
ist. Während
des Verfestigungsprozesses findet die Steuerung statt, so dass die
Fest-Flüssig-Grenzfläche 18 mit
einer konstanten Rate nach oben voranschreitet. Während des
Annealing-Prozesses hingegen wird die Fest-Flüssig-Grenzfläche 18 zeitweilig
an einer Bewegung gehindert, und unter dieser Bedingung wird die
interne Spannung, die sich im festen Teil 17S des Siliziums
angestaut hat, in Richtung der oberen Oberfläche gelöst.
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Beispiel
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Siliziumkeime
((CZ(100), 127 mm (5 inch) im Durchmesser und 10 mm dick)) wurden
in der Bodenmitte eines Tiegels (quadratisch mit 55 cm in der Breite
und 14 cm in der Höhe)
angeordnet. Vorzugsweise werden Siliziumkeime verwendet, die durch
chemisches Ätzen
(30 μm)
vorbehandelt sind. Das Ätzen
liefert glattere Kristalloberflächen,
die für
das Kristallwachstum geeignet sind. Annähernd 140 kg zu schmelzendes
Polysilizium wurden in den Tiegel geladen.
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Gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung wurden die Schritte c0 bis c7 aus 14 ausgeführt, um
einen polykristallinen Siliziumblock herzustellen. In dieser Ausführungsform
wird die Fest-Flüssig-Grenzflächentemperatur
bei 1421°C
gehalten, während
die Wärmeabgabe
bezüglich
der Verfestigungszeit in Schritt c6 linear erhöht wird. Das Zeitverhältnis zwi schen
Verfestigung und Annealing in Schritt c6 ist etwa 5. Der Verfestigungsprozess
(Schritte c6 und c7) dauert etwa 20 Stunden. Das EPD des polykristallinen
Siliziumblocks, der in einem Produktionstest hergestellt wurde,
wurde gemessen und die Qualität
wurde bewertet. Das EPD wurde in Übereinstimmung mit JIS H0609
gemessen. Die EPD-Messung und die Umwandlungseffizienz für ein Arbeitsmodell
einer Solarbatteriezelle sind in Tabelle 1 dargestellt. Durch Vergleich
wurden auch zwei Fälle
bewertet, einer, bei dem die Verfestigungsrate ohne jeglichen Annealing-Prozess
wie nach der ersten Ausführungsform
der Erfindung auf einem festen Wert gehalten wurde, und die andere,
bei der die Wärmeabgabe
auf einem Wert gehalten wurde, während
die Verfestigungsrate wie in 3 dargestellt
variiert wurde.
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-
Wie
aus diesen Beispielen von Produktionstests ersichtlich ist, ist
der gemäß dem vorliegenden
Beispiel hergestellte polykristalline Siliziumblock gekennzeichnet
durch ein niedrigeres EPD als die vergleichenden Beispiele, und
ein überlegener
polykristalliner Block mit einem verbesserten EPD wird hergestellt.
