WO2014147262A1 - Blank made of silicon, method for the production thereof and use thereof - Google Patents

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WO2014147262A1
WO2014147262A1 PCT/EP2014/055878 EP2014055878W WO2014147262A1 WO 2014147262 A1 WO2014147262 A1 WO 2014147262A1 EP 2014055878 W EP2014055878 W EP 2014055878W WO 2014147262 A1 WO2014147262 A1 WO 2014147262A1
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WO
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blank
class
silicon
dislocations
container
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/055878
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German (de)
French (fr)
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Matthias Müller
Andreas Voitsch
Dietmar Jockel
Christian KUDLA
Uwe Sahr
Christian Lemke
Albrecht Seidl
Bernhard Birkmann
Ute SAUERBREY
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Schott Ag
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    • C30B33/06—Joining of crystals
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    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the invention relates generally to a blank made of quasi-monocrystalline silicon, as defined below, and to the production and use thereof, and in particular to the use of quasi-monocrystalline silicon, which is preferably produced by the directional solidification method, for optical components for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 ⁇ to 10 ⁇ , more preferably in the range of 1.4 ⁇ to 8 ⁇ , and for functional components in systems for semiconductor processing such as for showerheads in eg Etching, cleaning or coating equipment.
  • Monocrystalline high-resistance optical components made of silicon and monocrystalline high-resistance functional components in silicon semiconductor processing plants are currently obtained without exception from ingots produced by the Czochralski (CZ) method or the float zone (FZ) method.
  • high resistance refers to the range of resistivity greater than 5 ⁇ cm, and the used range of these ingots is cylindrical.
  • the diameter corresponds to that of ingots which are used for the production of semiconductor wafers which are used for the production of integrated circuits.
  • the diameters of such ingots are typically limited to 150 mm, 200 mm, 300 mm or 450 mm due to the limitations of the CZ method or FZ method. At the maximum, the CZ process has so far reached diameters of up to 550 mm.
  • Silicon as the transparent material in the infrared wavelength range is preferably used in the wavelength range 1.4 to 8 ⁇ , with a main application area in the middle infrared wavelength range of 2 ⁇ -5 ⁇ .
  • the much more expensive germanium is mainly used when the field of application has to be extended to 14 ⁇ .
  • Electrode plates for the distribution of gases also referred to as showerheads or electrode plates or gas distribution plates
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • JP 2000-144457 describes a way of allowing dry etching of a wafer with max. 300 mm diameter, use an electrode plate of at least 20% larger diameter (according to concrete description in this application: diameter 365 mm x thickness 11.2 mm). Since at that time no CZ ingots larger than 300 mm were available, a multicrystalline ingot was used. However, since it was already known at that time that the many grain boundaries of a multicrystalline ingot are detrimental, this disadvantage was mitigated by cutting the wafer vertically out of the ingot (i.e., in the growth direction of the ingot) to make the electrode plate according to this invention.
  • the maximum size of wafers is 450 mm, which requires correspondingly larger electrode plates or gas distribution plates during their processing in plasma etching systems or CVD systems. Regardless of the diameter of the wafer to be etched, electrode plates are used which have as large a diameter even up to twice as the wafer to be etched.
  • JP2007-158007 describes the variation of resistivity as disadvantageous even when Electrode Plates are made from CZ ingots. Due to the method, these have a radial change in the specific resistance. JP 2007-158007 teaches that the radial variation in the resistivity of an electrode Plate may not exceed 5%. According to the embodiments (in particular Example 4), this limit is only exceeded if, for example, in Example 4 of a CZ ingot with 380 mm diameter, an edge region of 40 mm is removed. The final electrode plate thus has a diameter of only 300 mm.
  • the entire ingot is further processed into solar wafers after the separation of an edge region, which inevitably results from the standardized crucible size, and the separation of a lid and bottom region.
  • the invention aims to provide a quasi-monocrystalline silicon crystal material, as defined below, for high-resistance quasi-monocrystalline silicon optical components for high-frequency spectral applications or high-resistance quasi-monocrystalline silicon functional components for use in semiconductor processing equipment, which is significantly less expensive than conventional monocrystalline material , which originates from the CZ or FZ process, is produced and meets only such technical requirements for these optical components or functional components such as lens blanks, mirrors, showerheads, which are actually mandatory for the application.
  • This object is achieved by a method according to claim 1, by a blank (blank) according to claim 14 and by a use according to claim 24. Further advantageous embodiments are the subject of the related subclaims.
  • quasi-monocrystalline first appears as a technical term in solar cell production in about 2010.
  • this term is intended to denote a silicon material which is directionally solidified in a crucible or the like, wherein the bottom of the crucible is integrally formed with one or multi-piece monocrystalline or quasi-monocrystalline seed layer, which originates in particular from a CZ or FZ process is designed, the seed layer are melted and this crystal growth or the directional solidification of the silicon melt their crystallographic orientation on freshly crystallized material
  • the seed plate (s) of the seed layer may also be made of silicon material that already originates from a process as shown in the previous sentence and thus already consists of quasi-monocrystalline material
  • quasi-monocrystalline silicon material in the sense of the present invention consists of a single grain, which may, however, contain dislocation clusters and small-angle grain boundaries with a certain proportion, wherein the grain contains twins contained therein as well Foreign grains, if present, should completely
  • quadsi-monocrystalline also includes synonymous designations, such as, for example, mono-like, near-monocrystalline silicone, M-grades, U-grades and others, which, however, are specific to the manufacturer only for solar wafer material in this field are known.
  • blade refers to a blank or a semi-finished product which is produced from a crude crystal produced after a cultivation in order to be able to evaluate the material quality of this blank on its surface and / or in its interior
  • This blank is a round or angular disk with a thickness greater than 0.5 mm and less than 30 mm
  • a blank rated as suitable for the intended application is further processed after its evaluation in order to adjust the final geometry and surface quality of the component
  • the present application as used, for example, in plasma etching systems, are also often synonymously referred to as electrode plates or shower head electrodes or gas distribution plates.
  • the quasi-monocrystalline silicon crystal material according to the invention for high-resistance optical components for applications in the infrared spectral range or for high-resistance functional components for use in systems for semiconductor processing is only as good as really required and can thus be produced more cost-effectively than conventionally.
  • cost advantages can be realized in that only those properties which are absolutely necessary for a satisfactory component are maintained. It has surprisingly been found that certain defects or the degree of their expression, which do not or can not be used in silicon material which can be used for semiconductor wafers are not allowed to occur to the same extent, the functionality of optical components or even functional components for use in systems for semiconductor processing not or not significantly affect.
  • planar determination of carrier lifetime (or physical quantity correlating therewith) with silicon and other semiconductor materials such as germanium, gallium arsenide and other so-called compound semiconductors is a very simple, fast and nondestructive method to improve tool life
  • wear removal of material by etching gas or generation of interfering particles
  • polishability of blanks for use for optical components or also for functional components for systems for semiconductor processing under operating conditions.
  • Areas with only isolated dislocations can thus be distinguished from those with dislocation clusters (optically critical if the tilting of the subgrains reaches more than 20 ° and critical in certain electrical applications).
  • the measurement technique actually developed for evaluating the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for assessing the optical quality, the structural quality or chemical stability of quasi-monocrystalline silicon.
  • the surface of the workpiece to be examined is examined with the following methods, for example: ⁇ -PCD (microwave ve-detected), MWC (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging techniques. All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface.
  • the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; It can range from a few ⁇ to a few mm.
  • the carrier lifetime decreases greatly, since the dislocation lines or small angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines go below the diffusion length of the charge carriers.
  • the only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. This means that a massive contamination, for example, with evenly distributed in the volume of metallic impurities prevents them Type of detection of dislocation clusters.
  • transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.
  • a known grain-based method of directional solidification of silicon for the production of quasi-monocrystalline Si ingots for the photovoltaic industry is modified according to the present invention, in particular with regard to the possibility of targeted adjustment of the concentration of free charge carriers at a certain level less than 5 * 10 15 / cm 3 and adds an allocation and evaluation method to define and evaluate a volume fraction of the resulting ingot so that it can be used to fabricate high-resistance quasi-monocrystalline optical components for infrared spectral applications as well as high-resistance quasi-monocrystalline functional components for use in processing equipment of semiconductors can be used.
  • the allotment and evaluation method can be used expressly for differently manufactured silicon crystal material.
  • silicon material which was produced by the known Czochralski method and contains unwanted twins and thus can not be used for semiconductor wafers, or silicon material which is produced by a method based on the Kyropoulos method for silicon without crucible contact (cf. Nakajima et al, J. Cryst. Growth 372 (2013) 121-128).
  • test surface with regard to content, distribution and / or quality relevance of at least one of the following: foreign grains, twin boundaries or clusters of dislocations or small-angle grain boundaries; and
  • the seed layer can be formed in one piece and completely cover the bottom of the crucible or container.
  • the seed layer can also be formed from a plurality of seed plates, which are arranged directly adjacent to each other (forming as narrow gaps as possible between them) on the bottom of the crucible in order to completely cover it.
  • they can in principle also be produced by a Czochralski method or by a floating zone method.
  • the plurality of germination plates is arranged on a planar seedbed, which is flat by a sawing process or even ground flat.
  • the abutting surfaces or additionally at least one further surface are ground.
  • the abutment surfaces of adjacent germination plates are ground at right angles so that, when using three or more germ plates, the width of the resulting column (viewed from above) is as small as possible. It is of equal importance that even during the melting of the germ plates no column arise. This means that even with a lateral (horizontal) view of the germ plate, the ground abutment surfaces have a right angle.
  • the ground surfaces (in particular the edge surfaces) have a roughness of Rz according to DIN 4762 of less than ⁇ , more preferably less than ⁇ and particularly preferably less than 5 ⁇ and their angularity is considered both vertically and horizontally so good that gaps formed during the laying out of the germination plates and during the melting of the germination plates between immediately adjacent germinal plates are smaller than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm, and more preferably less than 0.01 mm, at each point.
  • the silicon material according to the invention as a whole has no twin grains (shock twins) which are formed on germ buds.
  • the crucible is then further filled with silicon raw material with the addition of substantially more dopant than required for the production of solar cells, ie, for example for the above-mentioned range of resistivity from 0.001 to 0.2 and the use of one or more already suitably doped nuclei a large amount of dopant is added, resulting in an initial concentration in the melt of about 1.2 * 10 20 atoms / cm 3 to 1.0 * 10 17 atoms / cm 3 of the dopant boron (B) or about 7.4 * 10 19 atoms / cm 3 to 3.1 * 10 16 atoms / cm 3 of the dopant phosphorus (P) leads.
  • the filled crucible is placed in a technically modified system for directional solidification of silicon, in particular a VGF plant.
  • the cutting of the ingot soil from the ingot can be followed for preferential reuse as seed material.
  • the quality of the cut makes it possible, if necessary, to visually recognize multicrystalline edge regions on both opposite cut surfaces and, if appropriate, separate them from the germplate.
  • the cutting off of the cladding layer from the ingot can take place in a predetermined thickness or a thickness which is visually recognizable as non-monocrystalline at the cut surface.
  • the remaining ingot can be cut into slices corresponding to the desired thickness in order to be able to produce blanks for high-resistance optical components or blanks for use in high-impedance functional components in systems for semiconductor processing, in particular for showerheads. Possibly.
  • a surface treatment of the wafer surfaces may be carried out to better ensure the visual distinctness of multicrystalline and quasi-monocrystalline regions of the processed surfaces and to mark the quasi-monocrystalline surface region. Subsequently, the marked quasi-monocrystalline surface region (test surface) on the disk or on the ingot can be checked for the presence and the location of detected foreign grains or detected twin boundaries.
  • Examination of a selected quasi-monocrystalline surface area (test surface) of the disk can be made by one of three preferred electrical methods for quantifying the content of this test surface to clusters of dislocations or small angle grain boundaries.
  • it is detected whether and at which location on the test surface pixels with clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are present. Subsequently, a determination is made of the percentage of clusters of dislocations or small-angle grain boundaries of adhered pixels on the test surface, as well as a specification of one or more new test surfaces of the disk, in terms of their content with respect to the percentage of clusters of dislocations or small angle grain boundaries
  • Foreign grains and, in terms of their content of twin boundaries, the geometry and specification requirements for one or more blanks Subsequently, a separation of the new test surface can be made, which is identical to the surface of the blank.
  • Quasi monocrystalline material purposes of this invention contains an average concentration of isolated dislocations of between 10 2 cm “2 to 10 6 cm” 2, typically between 10 3 cm “2 and 10 5 cm” 2.
  • the quasi-monocrystalline silicon material according to the invention differs from the conventional monocrystalline silicon, produced for example with the Czochralski or the floating zone process with the target of use as a semiconductor wafer for the production of microelectronic components.
  • the microorganisms used in the methods according to the prior art for the production of p-doped quasi-monocrystalline solar cells have a comparatively very high resistance compared to a high-resistance mono- or quasi-monocrystalline silicon material according to the invention (specific electrical resistance greater than 5 ⁇ ). typically 1 ⁇ to 3 ⁇ at B-doping).
  • high-resistance Si crystals according to the present invention it is necessary to use seeds which have a lower, or even significantly lower, doping content or are not doped at all. That These germs have a higher or much higher resistance than in the prior art.
  • a higher or much higher amount of dopant boron is additionally added to the silicon raw material disposed above the seed (s) than in the present invention.
  • This higher doping is responsible for setting the specific electrical resistance of ingots commonly used in photovoltaics in the range from 1 ⁇ to 3 ⁇ .
  • VGF process Silicon material produced by this process is referred to as VGF mono-silicon. Show it:
  • Figure 1 is a vertical section through a generation 4 Si ingot made by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in quasi-monocrystalline and multicrystalline and a possible division of, for example, horizontally excitable slices to obtain blanks for
  • Fig. 2 is another vertical section through a generation 5 Si ingot made by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in quasi-monocrystalline and multicrystalline and a possible dicing of, for example, horizontally excisable slices for obtaining
  • Blanks for functional components e.g. the use of the high-impedance optical components or high-impedance functional components for semiconductor processing plants indicated in the figure;
  • Fig. 3 is a photograph of one of such ingot in the middle
  • 4a and 4b show PL (left) and ⁇ PCD images (right) of a rough-cut wafer surface of monocrystalline dislocation-free silicon material, which after a CZ
  • Fig. 4c and 4d corresponding PL (left) and ⁇ PCD images (right) of a sawn
  • Wafer surface of dislocation-containing quasi-monocrystalline silicon material prepared by a VGF method according to the present invention no ring-shaped structures visible, no clusters of
  • Figures 5a and 5b show respective PL and ⁇ PCD images of a rough-sawn wafer surface of quasi-monocrystalline silicon material derived from a bottom-near region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are visible ;
  • FIGS. 6a and 6b show respective PL and ⁇ PCD images of a rough-sawn wafer surface of quasi-monocrystalline silicon material originating from a capped region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of higher pitch or small angle grain boundaries Area fraction are visible as in Figures 5 a and 5b;
  • thermocouple off-center at the bottom of a thermocouple
  • thermocouple off-center on the underside of a
  • Crucible standing plate on which a crucible stands for an exemplary method according to the present invention using a seed layer formed of a plurality of seed plates whose edges are ground and worked, and in which the gaps between individual seeds are not drawn to scale; 9 shows an exemplary temperature profile in a method according to the present invention.
  • a ready-to-use crucible inside coated by the crucible manufacturer or a crucible coated by the user himself eg a quartz or fused silica crucible
  • a graphite crucible or a Si 3 N 4 crucible can be used.
  • the crucible base area depends on the size of the high-resistance optical components to be produced therein or the high-resistance functional components for systems for semiconductor processing.
  • a crucible height below 250 mm is just as meaningless as a crucible height (possibly including crucible attachment) of greater than 800 mm.
  • Total crucible heights of 450 mm, 550 mm, 650 mm, 780 mm or sizes in between have proved to be very practical.
  • FIG. 8 a shows a schematic cross section through a crucible 2 of a plant 1 for the production of silicon ingots.
  • the container 2 usually a quartz crucible, has a bottom 3, which extends perpendicular to the longitudinal direction 5, and at least one side wall 4, which extends in the longitudinal direction 5 and can be formed circumferentially, in particular of four rectangular surfaces can be formed specify an overall rectangular or preferably square base of the container 2.
  • the bottom 3 may according to further embodiments also have a different cross section, for example, an octagonal, circular or oval cross-section.
  • a seed layer 10 made of silicon is arranged on the bottom 3 of the container 2 as a seed template, which is formed in one piece and completely covers the bottom 3.
  • the seed layer 10 preferably has the same material properties as the silicon ingot to be formed.
  • a planar seed pad 13 is provided on the bottom 3, of which at least the top of a sufficient planarity having. This corresponds at least to the quality of a standard saw cut, the top can also be ground flat. In this way, an orientation of the seed layer is achieved exactly perpendicular to the perpendicular bisector 5 on the bottom 3.
  • the container 2 is shown in FIG. 8a on a crucible setting plate 14 made of a good heat-conducting material, preferably of graphite. This leaves, as well as the underneath located cooling plate 15, heat of the underlying meandering bottom heater 17 very well through to heat the bottom 3.
  • the crucible mounting plate 14 is designed for an exactly vertical arrangement of the container 2. By means of the cooling plate 15, which can be traversed by a gas as the cooling medium, a predetermined cooling power for cooling the bottom 3 can be set.
  • a thermocouple 16 having a protective tube is provided off-center in the cooling plate 15 to monitor the temperature during directional solidification.
  • thermocouple 15 is arranged at a radial distance from the center of the bottom 3, which corresponds to half the diameter of the container 2, if this is round, or half of an edge length of the container 2, if this has a square base , in particular with a tolerance of + 30mm and -100mm. As explained in more detail below with reference to FIG. 9, in the method, the temperature signal of the thermocouple 15 is controlled.
  • FIG. 8b shows, in a schematic cross-section through a crucible, an alternative embodiment for the production of silicon ingots, in which a seed layer is used, which is formed from a plurality of seed plates 11 whose edges or joints form as narrow gaps as possible 12 directly abut each other and completely cover the bottom 3 of the container 2.
  • the germ plates 11 do not necessarily have a uniform cross section, in particular a rectangular or square cross section, so that the bottom 3 can be completely covered.
  • the germ plates 11 may be arranged in a mirror-symmetrical arrangement with respect to a center plane (not shown) extending perpendicularly to the bottom 3 of the container 2.
  • the shape of the germ plates 11 may also be suitably adapted to the shape of the bottom 3 in other ways.
  • the thicknesses of the seed plates 11 are not necessarily the same, so that a substantially planar surface of the seed layer is formed, however, the bottom and the edges are processed so that all gaps between the germs at each point are extremely low.
  • a planar seed pad 13 is provided in this case on the bottom 3, of which at least the upper side has sufficient planarity having. This corresponds at least to the quality of a standard saw cut, the top can also be ground flat.
  • the germ plates 11 can thus be arranged with exactly uniform orientation on the bottom 3 of the container 2.
  • the surfaces of the germ plates 11 are preferably completely or partially ground.
  • the roughness Rz in accordance with DIN 4762 should be less than ⁇ , more preferably less than ⁇ and more preferably less than 5 ⁇ .
  • the distance between the individual Germplates preferably small, regardless of whether this is caused by tilting of the germ plates or non-plane-parallel edges. This distance is less than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm and more preferably less than 0.01 mm, so that resulting gaps 12 between immediately adjacent seed plates 11 at any point are of this order of magnitude.
  • a silicon melt 6 is provided in the container 2.
  • lumped silicon can be introduced into the container 2 and melted, for example as disclosed in the applicant's EP 2028292 A2.
  • the silicon melt 6 can also initially be provided in another container (not shown) and transferred into the container 2 in liquid form. The process is carried out in such a way that the seed layer 10, 12, which acts as a seed receiver, is merely melted on, that is to say only partially but not completely melted. Subsequently, the silicon melt 6 is directionally solidified in a conventional manner.
  • the silicon melt 6 to a silicon ingot After solidification of the silicon melt 6 to a silicon ingot it is removed from the container 2 and further processed. For this purpose, this is suitably trimmed, for example by cuts along the longitudinal direction 5 of the silicon ingot. Furthermore, a bottom and a cap of the silicon ingot are removed by cuts perpendicular to the longitudinal direction 5 of the silicon ingot. Depending on the process conditions, a portion of the machined core of the silicon ingot on the periphery may not have the desired material properties. As a germ, a surface germ filling almost the entire inner surface of the crucible is particularly useful. This can be obtained by a bottom cut from a previous ingot.
  • the germ or the germ layer should not be unnecessarily thick, but also not too thin, so that there is no danger of it completely melting in the later germination phase. Seed thicknesses of 15 mm, 30 mm, 45 mm, 50 mm, 70 mm, 80 mm or intermediate sizes have proven useful, with 40 mm or 45 mm being preferred.
  • the orientation of the microbes is rather of secondary importance.
  • the (100) orientation of the microorganisms desired in photovoltaics is not mandatory for the production of high-resistance optical components or high-resistance components for functional components in semiconductor processing plants, it is the preferred microbial orientation for breeding-related considerations. Depending on the objective, however, it can also be bred based on (111), (HO), (211) - or even differently oriented germs.
  • Germs can be worked out quadratically from parts of a surface germ, a round crystal produced according to a CZ method, in the above seed thickness. Germs may also be obtained from longitudinal sections of the desired thickness mentioned above from a crystal made by a CZ method. Germs can also be cut out vertically from a previously ingame-based directionally solidified ingot as vertical boards or ingots in the desired thickness mentioned above.
  • the addition amount of dopant to the pure Si raw material is chosen so that the target value for the resistivity within the desired range of greater than 5 ⁇ is achieved.
  • the remaining crucible volume is still filled with virgin or recycled Si raw material (at least in the purity solar grade) and possibly dopant.
  • the resulting total height is used as possible.
  • a filling height of less than 250 mm is just as meaningless as a filling height (possibly including crucible attachment) of more than 800 mm.
  • Total crucible heights of 350 mm, 450 mm, 550 mm, 650 mm and 780 mm or intermediate sizes have proved to be very practical.
  • the concentration of free charge carriers with respect to acceptors formed as the difference of the acceptor concentration minus the donor concentration, a concentration of 2.7 * 10 15 / cm 3 or Donors, formed as the difference of the donor concentration minus the acceptor concentration, should not exceed a concentration of 9.05 * 10 14 / cm 3 .
  • the permissible concentrations are correspondingly lower.
  • special measures are necessary. This can be achieved, for example, by one or more of the following measures:
  • acceptors such as Boron, aluminum, gallium or donors, e.g. Phosphorus, arsenic, antimony or combinations of different acceptors and donors depending on the nature of the impurity;
  • particularly pure crucible coating material as an impurity source with respect to acceptors or donors, eg use of Si 3 N 4 crucible coating material with a boron content of less than 5 ppm (preferably less than 1 ppm), an aluminum content of less than 100 ppm (preferably less than 20 ppm) a phosphorus content of less than 4 ppm (preferably less than 0.8 ppm);
  • particularly pure crucibles as a further source of contamination with respect to acceptors or donors, eg quartz crucibles having a boron content of less than 0.1 ppm (preferably less than 0.04 ppm), an aluminum content of less than 160 ppm (preferably less than 15 ppm) Phosphorus content less than 2 ppm (preferably less than 0.1 ppm); the in situ sampling of the melt and targeted compensation with the missing acceptors (eg boron, aluminum, gallium or combinations of different acceptors) or donors (eg phosphorus, arsenic or combinations of different donors);
  • acceptors eg boron, aluminum, gallium or combinations of different acceptors
  • donors eg phosphorus, arsenic or combinations of different donors
  • the filled crucible is then placed in a Bridgman-type crystal growing facility or in a VGF facility.
  • the latter is equipped with different heater configurations depending on the system type. Commonly used are systems with only ceiling heaters, systems with ceiling and floor heaters, systems only with jacket heaters, systems with ceiling and jacket heaters or systems with ceiling, jacket and bottom heaters.
  • the raw material is melted from above. By a suitable temperature control of the heater with simultaneous cooling of the seed layer is ensured both that the added raw material is completely melted, the germ or the germs are not completely melted, but necessarily melted.
  • each individual area fraction of the seed layer is defined with a size of approximately 1 cm 2 .
  • Each of these individual surface portions should be melted above a crucible bottom up to a certain height.
  • This height coordinate, up to which the melting of each area fraction takes place, is in the range of 20% to 90% of the thickness of the inserted seed layer.
  • areas are found that are preferred. For example, with a seed thickness of 40 mm, an area of the height coordinate of 35% to 75% of the original seed thickness or, with a seed thickness of 45 mm, a range of the height coordinate of 30%> to 80%> of the original seed thickness is preferred.
  • the measurement of the temperature is not made in the center of symmetry on the underside of the plate, which is referred to as a crucible mounting plate.
  • the measurement of the temperature is made by placing a thermocouple in the graphite crucible setting plate at a radial distance from the center of the crucible bottom which is half the edge length or diameter of the crucible.
  • the location of measurement may be within a ring defined by a positive Tolerance deviation of 30mm and a negative Tolerance deviation of 100mm of a radius range, which corresponds nominally half of the crucible edge length.
  • the measurement thus takes place, as shown in FIGS. 8a and 8b, at a point further out which is close to the edge of the crucible and provides representative and accurate measurement results by this layer in order to prevent complete melting of the seed layer near the crucible wall.
  • This danger is due to the fact that the system tends to form heat flows in the direction of the center by means of germ cooling, so that the temperature in the seed layer center is colder than at the edge of the seed layer.
  • Important parameters are cooling capacity and geometry of the cooling arrangement.
  • the cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures so that a flat phase boundary is established.
  • the geometry, or rather the cooled surface, must be approximately equal to the area of the crucible.
  • the position of the temperature measuring point must therefore be chosen so that it detects the edge area under the germ, but is not distorted by the cooling.
  • the melting of the seed layer takes place without mechanically touching the position of the phase boundary.
  • the procedure is such that the temperature of the underside of the crucible mounting plate is measured at a defined distance from the center of symmetry of the crucible bottom, specifically at the periphery of the crucible mounting plate of good heat-conducting graphite, by means of a pyrometer or thermocouple.
  • 9 shows a typical time profile of the temperature profile, as measured by the thermocouple 16 shown in FIGS. 8a and 8b.
  • a bottom heater is used (see reference numeral 17 in Figures 8a and 8b), which operates from the beginning of the heating of the silicon until the melting temperature of the silicon is reached.
  • the shutdown of the floor heater takes place on reaching the melting temperature of the silicon at the time ti in FIG. 9 and there is a simultaneous connection of a floor cooler with a cooling capacity of a maximum of lW / cm 2 , with a maximum of 0.65W / cm 2 are preferred.
  • a floor cooler with a cooling capacity of a maximum of lW / cm 2 , with a maximum of 0.65W / cm 2 are preferred.
  • the temperature measured at the location of the thermocouple increases even after the time ti until it finally falls.
  • This temperature drop is shown in FIG. 9.
  • further heating of the container by means of a not shown in Figures 8a and 8b lid and jacket heater, which are designed in the usual way. Due to the gradual melting of the silicon material in the container, the temperature drop according to FIG. 9 is gradually decelerated.
  • the temperature eventually passes through a minium and then begins to rise again due to the heating by the lid and jacket heater.
  • the crystallization phase is shown in FIG. 9 according to the invention at a time t 2 initiated by increasing the cooling capacity of up to a maximum of lW / cm 2, preferably of at most 0,65W / cm 2 to a minimum of 2W / cm 2, preferably minimally l, 5W / cm 2 , as soon as the temperature measured on the thermocouple at the crucible mounting plate has passed a predetermined amount after passing through the bottom heater cut-off and cooling power switch-on minimum (as described above) Temperature difference ( ⁇ ) of preferably 5 K to 25 K has risen again above this minimum.
  • thermocouple located in the crucible mounting plate, so that it is not necessary to immerse a temperature sensor in the Si melt, which is conventionally complicated and causes a great variety of defects in the Si ingot.
  • the thermocouple as an example of a more common temperature sensor, may also be located elsewhere near the crucible of the apparatus of Figures 8a and 8b so long as there is sufficient correlation between the temperature signal of such a temperature sensor and the actual temperature prevailing in the crucible.
  • This correlation can for example be determined in advance by means of calibration or reference measurements and stored in the memory of a control device, for example a processor, in order to achieve a suitable temperature control. It is advantageous to make the phase boundary solid-liquid convex in the crystallization phase, in order to curb the propagation of crystal grains of other orientation, which always occur due to foreign nucleation on the crucible wall in the direction of Ingotmitte. At the same time, the convexity of the phase boundary must not be too large in order not to excite the dislocation formation caused by thermal stress.
  • the crystallization of an ingot takes place according to the invention:
  • FIG. 1 Such a basic cross-section of a generation 4 ingot (630 mm ⁇ 630 mm base and height 430 mm) is shown in FIG. 1 and a generation 5 ingot (780 mm ⁇ 780 mm base and height 430 mm) is shown in FIG. 2.
  • areas are marked which are exemplary of two frequently required dimensions of high-resistance optical components or high-resistance components for semiconductor processing equipment (0 600 mm ⁇ 10 mm or 0 540 mm ⁇ 10 mm or 0 300 mm ⁇ 6 mm or 0 250 mm x 10 mm) can be used.
  • the sawing of the four side surfaces or a cladding layer can also be sawed off in a predefined thickness first. Which thickness is necessary results from experience, i. from previous processes, or from whether the crucible bottom was laid over the entire surface or with the omission of a narrow edge area with germs.
  • the soil layer to be sawn off after this step is slightly smaller in this procedure than in the procedure according to a). Thus, in the case of reuse of the soil layer as a germ in the subsequent process of this does not fill the crucible bottom to 100%.
  • horizontal slices are cut out of the remaining ingot volume, which have a thickness which is still an allowance for the further processing steps for the production of e.g. have high-impedance optical components or high-resistance components for semiconductor processing equipment or other blanks.
  • the determination of the specific resistance is expediently carried out in two steps: First, the resistance at the inner cut surface of a side surface along a vertical line is determined pointwise. This is used to check at which height coordinates the Ingot that achieves the required resistivity for one or more types of final products. After cutting out horizontal slices from the ingot, specimens cut adjacent to the area selected for the final product can additionally determine the resistivity in higher accuracy in the form of a surface scan across the specimen. However, it is also possible to perform a planar raster measurement of the specific resistance over the entire interesting surface area of the slice, in order to specify the mean value and also the fluctuation range of the measured values within the slice. Similar to the latter case, this is also possible directly on the blank to be delivered. In most cases, this effort is not required.
  • the methods or devices that can be used for the measurement differ only in what range of resistance is expected and whether it is necessary to record the measured values over a wide area.
  • the measurement may be e.g. offline and punctiform or scanning in the range up to 30 ⁇ done with an eddy current measuring method (eg with the RT 100 from the company. S emilab / Hungary) or pointwise or raster with a 4-tip measuring method done (eg the Automatic Four-Point Sample, Model 280SI Series from Four Dimensions Inc./ Hayward, CA, USA for measuring previously defined suitable sample geometries or the 4PP system for ingots of the same company).
  • an eddy current measuring method eg with the RT 100 from the company. S emilab / Hungary
  • 4-tip measuring method done eg the Automatic Four-Point Sample, Model 280SI Series from Four Dimensions Inc./ Hayward, CA, USA for measuring previously defined suitable sample geometries or the 4PP system for ingots of the same company.
  • FIG. 3 shows a photograph of the plan view of a slice cut from the ingot in the middle ingot height. Although in this case the side surfaces have already been separated, one can see a multicrystalline region (B), which has grown in from the edge in the direction of the quasi-monocrystalline center (A) and is separated in this image by a hand-drawn line from the quasi-monocrystalline material region. In the quasi-monocrystalline center (A), three round blanks of different diameters are shown by way of example.
  • the sample shown in FIG. 3 is representative of different sample geometries and sample positions. This can be for the o.g. Resistance measurements, transmission measurements, FTIR measurements or for contamination determination (AAS, GDMS, ICP-MS, ).
  • the quasi-monocrystalline material region must be investigated in more detail whether it is not the position and above all local strong concentrations of clusters of dislocations and small-angle grain boundaries, foreign grains or twin boundaries rendering certain areas unusable for the intended use. As a result of these tests described below, the size and position of the blanks obtainable from a disk must be finally determined.
  • Such disks - in particular their quasi-monocrystalline region - are now in terms of content, distribution and quality relevance of a first group of Crystal defects, known as “dislocation clusters”, “dislocation agglomerations", “small angle grain boundary clusters” or the like.)
  • This group has been referred to in the preceding text and will be referred to hereinafter as “clusters of dislocations or small angle grain boundaries” or simply as dislocation clusters or clusters.
  • the assessment of this first group of crystal defects is based on the following relationships and should be described as follows:
  • VGF-mono-silicon material which is produced as a result of the directional solidification containing an average concentration of isolated dislocations between greater than 1 x 10 2 cm “2 and less than 1 x 10 cm", typically between 10 cm “and 10 cm” ,
  • VGF mono-silicon differs from the ideal monocrystalline silicon, manufactured for example with the Czochralski or the floating zone method. Silicon produced by the latter method is usually below 10 2 cm -2 and is typically even wholly or nearly free of dislocations
  • monocrystalline silicon from the Czochralski or the floating zone method may also have very high concentrations of dislocation multiplication offsets.
  • the local orientation of the crystal lattice is not macroscopically affected by the presence of the dislocations.
  • the optical appearance of a machined, ground or polished workpiece surface of quasi-monocrystalline silicon workpieces of different dislocation concentration does not differ. Transmission and reflection behavior are identical.
  • dislocation clusters may also extend to small angle grain boundaries. The latter then enclose crystal regions which, compared to the rest of the matrix of the workpiece, can have a significant tilt of a few arc minutes to, in the extreme case, a few degrees, so-called subgrains.
  • dislocation clusters of this type have many such small and minute sub-grains tilted adjacent to each other, with distances and dimensions ranging from ⁇ to cm.
  • Areas of greater tilt are comparable in appearance to foreign grains and can be visually recognized with unaided eye and under good lighting on the mechanically machined surface, if they are sufficiently large. They represent a second group of crystal defects in VGF mono-silicon. Also the third group of Crystal defects in VGF mono-silicon, the twin boundaries, are visually recognizable, as is the second group.
  • the angle of incidence of the illumination to the surface to be assessed covers the angle range from 10 ° to 75 ° and the light source rotates azimuthally in 10 ° increments over 360 °.
  • the viewing direction of the area to be assessed by the appraiser must be from the direction of incidence and the same incidence angle range from 10 ° to 75 °.
  • an azimuthal viewing angle range of -90 ° to + 90 ° to the viewing direction must be covered. Sanded surfaces are suitable for this, better are sandblasted surfaces. However, it has been found that a roughly ground surface quality typically achieved by wire-cutting lapping or on a band saw is also sufficient for the evaluation.
  • Quasi-monocrystalline matrix is defined as a quasi-monocrystalline region that embeds a foreign metal all around.
  • Class FK1 Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to less than 1 x 10 6 cm “ 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has no foreign grains on a cut surface through the material.
  • Test surface is either the disk surface or the blank surface, which is at Final components of small thickness in the direction of the load or the chemical
  • a small thickness means that the blank or the slice cut out of the ingot has a thickness of at least 5 times less than its largest surface dimension.
  • Class FK2 silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to less than 1 x 10 6 cm “ 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 1 foreign particle per dm on a cut surface through the material 2 in a size smaller than 50 mm 2 has.
  • Test surface is either the disk surface or the blank surface, which points to the final component in the direction of stress or chemical attack (functional surface).
  • the direction of stress or chemical attack present at the final component means the side of the component which exposed to stress, such as the area near a plasma or exposed to reactive gases.
  • the quantity "number of foreign particles per dm 2 means the area density of foreign grains on the evaluated surface.
  • Class FK3 silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to less than 1 x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 2 foreign grains per dm 2 having a size smaller than 50 mm 2 ,
  • Determination criterion Visibility in the test surface.
  • the test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.
  • the blank surface accessible for evaluation is the outer surface of a blank, through which suitable measuring methods provide information on a blank
  • Class FK4 silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to less than 1 x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 5 foreign grains per dm 2 in a size smaller than 50 mm 2 has.
  • Determination criterion Visibility in the test surface.
  • the test surface is either the disk surface or in one of the evaluation accessible
  • Class FK5 Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to less than 1 x 10 6 cm “ 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume, on a sectional surface through the material foreign matter but without numerical limitation having a size of less than 50 mm 2 each.
  • Determination criterion Visibility in the test surface.
  • the test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.
  • a twin boundary is defined as a coherent grain boundary, preferably as a ⁇ 3 grain boundary.
  • Class ZI Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to smaller l x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has no twin boundaries on a cut surface through the material
  • Class Z2 silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline verskyscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 4 pieces of twin boundaries of a total length of maximum. 0.5 m per dm 2 .
  • Class Z3 silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline verskyscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 10 twin boundaries having a Total length of 1.4 m per dm 2 has.
  • Class Z4 silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline verskyscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 100 twin boundaries having a Total length of 14 m per dm 2 has.
  • Class Z5 Single-dislocation silicon material in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to smaller l x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has more than 100 twinned boundaries per section through the material dm 2 has.
  • Visually not at all conspicuous are all dislocation clusters with sub-grains or areas of only slight tilt, regardless of their size. However, they represent structural inhomogeneities, which affect their function in reflective or transmissive optical components at too high a concentration.
  • VGF mono-silicon material such as electrode plates (also referred to as showerhead or electrode plate or Gas Distribution Plate) in plasma etching or plates for distribution of gases in CVD (Chemical Vapor Deposition) and other in In the semiconductor industry for the processing of semiconductors or semiconductor devices required components, these clusters may be undesirable and are to be assessed in terms of their area ratio of the total area of the component. It is therefore necessary to detect the content of such clusters of dislocations or small-angle grain boundaries already on the partially machined workpiece or blank in order to be able to carry out a suitable allocation on the basis of this detection.
  • the measurement technique actually developed for assessing the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for assessing the structural quality of mono or quasi-monocrystalline silicon.
  • simple, inexpensive and quick to perform evaluation procedures are available.
  • the surface of the workpiece to be examined is investigated with the following methods, for example: ⁇ -PCD (mierowa ve-detected Photo-Conductance Decay Measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging measurement techniques.
  • ⁇ -PCD mierowa ve-detected Photo-Conductance Decay Measurement
  • MWT Microwave Detected Photoconductivity
  • PL Photoluminescence
  • scanning or imaging measurement techniques there are already manufacturers of commercial measuring instruments, such as the company Semilab / Hungary, the company Freiberg Instruments / Germany or the company Hennecke / Germany. All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface.
  • the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; It can range from a few ⁇ to a few mm. Near closely spaced dislocation lines - i.
  • the carrier lifetime decreases strongly, since the dislocation lines or the small angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines go below the diffusion length of the charge carriers.
  • the only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. That is, massive contamination, e.g. with uniformly distributed in volume metallic impurities prevents this type of detection of Versatzungsclustem.
  • transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.
  • the measured values for the carrier lifetime in the region of the dislocation clusters are clearly below the mean of the measured values outside the dislocation clusters.
  • the absolute values and the resolution depend on the chosen measuring technique, the type of mechanical surface treatment, the electrical conductivity of the material and the content of metallic impurities, the areas of dislocation clusters are always distinguished from the unloaded areas by significantly lower measured values.
  • the definition of a threshold value for the charge carrier lifetime or a measured variable correlated with this charge carrier lifetime can then be used to separate area proportions of areas with dislocation clusters from such areas without dislocation clusters or to quantify them in terms of area.
  • FIGS. 4a and 4c each show PL recordings
  • FIGS. 4b and 4d respectively show the ⁇ -PCD mapping of a respective rough-cut wafer surface of quasi-monocrystalline dislocation-free CZ material (FIGS. 4a and 4b) and VGF monosterization-related Silicon ( Figures 4c and 4d). In both cases, there are no dislocation clusters (defect area fraction 0%). The materials are very similar.
  • the color gradient in the ⁇ PCD images is due to thickness variations of the wire-trimmed wafer and has nothing to do with quality differences. These pictures are merely intended to demonstrate that the defect type individual dislocation can not be determined with the named measuring methods and this is also not necessary for the quality assessment according to the present invention.
  • FIG. 5 a shows a PL recording and FIG. 5 b shows a ⁇ -PCD mapping of a rough-cut surface of VGF monosilicon material in the geometric shape of a wafer.
  • the sample contains dislocation clusters, which can be evaluated by means of image evaluation with respect to the area fraction.
  • the area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is low in this case.
  • FIG. 6a shows a PL recording and FIG. 6b shows a ⁇ -PCD mapping of a VGF monosilicon material in the geometric shape of a wafer.
  • the area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is high in this case.
  • FIG. 7 shows a surface element (test surface) of a larger blank as a ⁇ -PCD surface image, a partial surface of an IR blank (blank for use for optical components in the IR spectral range in the sense of the present application), which was produced from the VGF monocrystalline region A of an ingot.
  • the entire area of the quasi-monocrystalline region A or blank to be evaluated is either taken as a frame and evaluated or composed of several frames (e.g., area elements as shown in Fig. 7) and evaluated. If a statement is to be made about a specific blank geometry in the sense of a quality classification in the five classes C1 to C5 mentioned below, a contour (new test surface) is inserted into the evaluated surface or into the composite image, within which the area fraction in the total surface determined by dislocation clusters and small-angle grain boundaries.
  • the charge carrier lifetime or a value correlated with the charge carrier lifetime of the material is always determined for a pixel of the test surface by means of the aforementioned rastering or imaging measurement techniques (in the case of high-resistance material preferably PL). This is also done for all adjacent pixels in a subarea of the total area to be evaluated. This subarea may be square, rectangular, circular or elliptical. From the pixels completely enclosed in this area with a center pixel (border pixels are not allowed), an averaged image is generated. This can e.g. from an area of 11 x 11 pixels, i. 121 pixels, or an arbitrarily defined number of pixels, e.g. greater than 50 pixels or greater than 100 pixels are obtained.
  • a difference between the average value is formed from the defined number of neighboring pixels and the center pixel measurement value. If this difference exceeds a previously defined amount, the center pixel is evaluated as a bad pixel.
  • This threshold value has to be specified according to the measuring method, the range of the specimen resistivity and the doping (p- or n-type). For medium-resistance material and the measurement method MDP, e.g. a threshold of 0.22 is an appropriate value.
  • the cluster content in% is determined as follows:
  • Cluster level 100% - -; ; -;
  • the cluster content in% in the total area to be evaluated or in the stored contour is used to make a quality rating.
  • High-resistance quasi-monocrystalline VGF silicon material for optical components for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 ⁇ to 10 ⁇ , more preferably in the range of 1.4 ⁇ to 8 ⁇ , particularly preferred range 2 ⁇ to 5 ⁇ , or for functional components in systems for semiconductor processing such as showerhead is divided into the following five quality classes: class Cl: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline veröscluster- or small-angle grain boundaries free volume which has an area fraction of 0% clusters interspersed by dislocation clusters or small-angle grain boundaries on a cut surface through the material.
  • Class C2 silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to less than lx l0 6 cm” 2 in its quasi monocrystalline verskyscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a surface portion of less than or equal 25% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
  • Class C3 Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to smaller lx 10 6 cm “ 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has an areal fraction of less than or equal to a sectional surface through the material 50% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
  • Class C4 silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm “2 to less than lx l0 6 cm” 2 in its quasi monocrystalline verskyscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a surface portion of less than or equal 80% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
  • Class C5 Silicon material that passes through the material on a cut surface
  • the classes FK1 to FK5, ZI to Z5 and Cl to C5 shall be used for the assessment.
  • the flat etching removal per unit time in particular, for example, in plasma etching plants
  • the homogeneity of the etching removal in particular, for example, in plasma etching plants
  • a high-resistance silicon material evaluated in accordance with the present invention has been categorized into one of Z, C or FK classes and for fabrication of functional components in etching equipment (whether with or without plasma support), CVD equipment (with or without plasma support) or other equipment for processing semiconductor devices, it has always had better performance characteristics than traditional high resistance multicrystalline material.
  • High-resistance quasi-monocrystalline silicon material from the CZ or FZ process which is suitable for semiconductor production is only slightly superior to the high-resistance silicon material according to the present invention with regard to its application characteristics.
  • a crucible with crucible attachment with a total height of 760 mm is placed in a G4 furnace.
  • the crucible are a monocrystalline or quasi-monocrystalline germ plate with a length x width of 600 mm x 600 mm and a height of 40 mm, crystalline silicon raw material with a total weight of 450 kg.
  • the germination plate is positioned on the crucible bottom in such a way that a uniform gap remains between the germination plate and the crucible wall.
  • the furnace system has three heating zones: ceiling heater, jacket heater and bottom heater.
  • an active cooling arrangement which consists of water-cooled copper plate and an overlying highly heat-conductive graphite block identical geometry shape.
  • the cooling arrangement can be moved vertically by means of a lifting mechanism and contacts the crucible installation plate via the graphite block.
  • the water-cooled copper plate and the graphite each have a hole at the edge through which a pyrometer can see directly from below on the crucible mounting plate. This pyrometer is used to control the germplasm temperature.
  • the cooling plate is in the lower position and all heaters are active. The crystalline silicon is melted from above. From a certain temperature, which corresponds to the melting point of the silicon, the cooling plate is partially moved up and reduces the performance of the bottom heater. At this time, the cooling plate still has no contact with the overlying crucible mounting plate.
  • the bottom heater encloses the graphite cylinder in the completely upwardly driven state.
  • the soil is simultaneously cooled and heated to not completely melt the seed but to minimize heat losses at the edge of the crucible.
  • the cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures in such a way that, especially during the seeding process, a flat phase boundary is established.
  • the temperature determined by the pyrometer at the measuring location below the crucible setting plate goes through a minimum in each process, which is determined and stored as an absolute value.
  • the temperature difference between the current temperature value after passing through the minimum and the previously determined minimum is used to determine the height of the seeding point. This corresponds to a temperature difference between measured value and temperature minimum of 20 K. If this difference is reached, the crystallization is initiated.
  • the Ankeimstelle lies with a germ with a height of 40 mm and then in the range of 15-25 mm above the crucible bottom.
  • the cooling plate is fully moved up to the crucible mounting plate.
  • the contact with the crucible mounting plate increases the heat dissipation downward as a result of an increase in the maximum cooling capacity.
  • 0,65W / cm 2 on minimal l, 5W / cm 2 and the phase boundary moves upwards.
  • all heater temperatures are additionally reduced according to a temperature-time profile.
  • the cooling rates are a maximum of 100 K / h.
  • the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible.
  • the ingot is placed on a side surface, and there is a lid cut, which removes the experience according to segregation contaminated with impurities and therefore useless material of appropriate thickness. This shows how large the quasi-monocrystalline region is in the center of the ingot both on the bottom and on the lid.
  • the quasi-monocrystalline center region is now being examined in more detail in which number or at what location within the quasi-monocrystalline matrix foreign or twin boundaries could be present and in which class FK 1 to FK 5 or ZI to Z 5 this center region or correspondingly predetermined Areas thereof, which are suitable for the production of high-impedance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing, can be grouped.
  • Such high-resistance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing are, for example, blanks for optical components (lenses, mirrors) or for showerheads or other functional components for systems for semiconductor processing.
  • Dimensions of such blanks are, for example, 0 600 mm ⁇ 10 mm or 0 540 mm ⁇ 10 mm or 0 300 ⁇ 6 mm or 0 250 ⁇ 10 mm.
  • this center area or corresponding predetermined areas thereof, which appear suitable for the production of functional components examined by means of scanning or imaging measurement techniques (such as MDP, ⁇ -PCD or PL) and divided into the classes Cl to C5.
  • a sample is also cut from the quasi-monocrystalline center region to control the resistivity by means of a 4-peak measuring site, i. to confirm that he e.g. is within the required range of greater than 5 ⁇ .
  • a crucible with crucible attachment with a total height of 780 mm is introduced.
  • a planar seed pad made of silicon is introduced, on which a plurality of silicon seed plates are arranged in a layer.
  • the thickness of the seed pad is 5 to 20mm, with 10 to 20mm being preferred.
  • the germplates are cut horizontally from quasi-monocrystalline areas of previous ingots to a thickness of 45mm.
  • the abutting surfaces of the germ plates or additionally at least one further surface are ground.
  • the abutment surfaces of adjacent germination plates are ground at right angles so that when using three or three more germ plates the width of the resulting column (viewed from above) is as low as possible.
  • the ground abutment surfaces have a right angle.
  • the ground surfaces (in particular the edge surfaces) have a roughness of Rz according to DIN 4762 of less than ⁇ , more preferably less than ⁇ and particularly preferably less than 5 ⁇ and their angularity is considered both vertically and horizontally so good that gaps formed during the laying out of the germination plates and during the melting of the germination plates between immediately adjacent germinal plates are smaller than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm, and more preferably less than 0.01 mm, at each point. Due to this predetermined accuracy of fit, the silicon material to be grown according to the invention does not have any twin grains (shock twins) which are formed on germ buds.
  • crystalline silicon raw material of a total weight of 700 kg is filled on the seed layer.
  • the seed layer is dimensioned and positioned on the microplate so that there is a gap of approx. 20 mm all around. Their upwards or, if necessary, additionally downwards pointing surface is roughened in a sandblasting process with suitable material.
  • Above and into the gap between germ plate and crucible wall polycrystalline silicon raw material is filled.
  • the Si raw material has at least 7N purity. In order not to fall below the required content of a maximum of 2.5 * 10 15 / cm 3 for donors and still receive n-conducting material, the amount of introduced by pollution acceptors in the amount of 1 * 10 15 / cm 3 by the Addition of 38 mg of phosphorus to 700 kg of Si can be compensated.
  • the kiln plant is a multi-zone kiln plant with a total of four temperature-controlled heating zones: ceiling heaters, overhead heaters, bottom heaters and bottom heaters.
  • Under the crucible mounting plate is an active cooling device.
  • the cooling medium used is gaseous nitrogen.
  • the dimensions of the cooling device (length, width) correspond at least to the dimensions of the crucible mounting plate.
  • the protective tube abuts the overlying graphite plate from below.
  • On top of this graphite plate are the crucible mounting plate made of graphite and above it the crucible.
  • the melting process is designed such that the silicon raw material is melted from above and the silicon germination plate is only partially melted.
  • a temperature profile is set, which typically has a higher temperature on the ceiling heater than on the bottom heater.
  • the bottom heater is in operation only in the heating phase and is switched off at the time t ls reaching the melting temperature of the silicon, in order to prevent melting of the quasi-monocrystalline nucleus.
  • the gas cooling is activated from reaching about 1400 C on the side heater.
  • the cooling capacity must be the heater temperatures so be adapted that sets in particular during Ankeimrati a flat phase boundary.
  • the crystalline silicon raw material continues to melt above the germplate as a result of the ceiling and side heaters, which continue to be held at a predefined temperature value.
  • the temperature at the measuring point below the crucible setting plate goes through a recognizable minimum in each process in Fig. 9, which is determined and stored as an absolute value.
  • the total heating power inevitably decreases continuously in the same period of time.
  • the height of the Ankeimstelle can be determined. In the case of a germ of 45 mm height, the germination site is ideally in the range of 25 mm to 35 mm above the crucible bottom.
  • the crystallization is initiated. It can be several hours between temperature minimum and start of crystallization.
  • the crystallization is initiated on the one hand by increasing the cooling capacity of the gas cooling and on the other hand via a controlled temperature-time profile of the active heater. In this case, the cooling capacity is rapidly increased, for example, from a maximum of 5 kW (specifically, a maximum of 0.65W / cm 2 ) to at least 15 kW (specifically, a maximum of 1.5 W / cm 2 considered ) to prevent melting of the germ.
  • the temperatures of the heating zones are slowly reduced.
  • the cooling rates are in the range of -0.4 K / h to - 15 K / h.
  • a convex phase boundary is set in the center, which pushes the polycrystalline edge region further outward or supports a vertical columnar growth there.
  • the cooling phase begins.
  • the heaters are controlled by a further temperature-time profile.
  • the cooling rates are -10 K / h to -80 K / h.
  • the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible.
  • the ingot soil is separated in a thickness of 45 mm. In this way, a plate is obtained, which can be used again as a germ after a sandblasting process with suitable material and subsequent cleaning. From the remaining ingot side parts are now sawed off so that the resulting ingot base area is reduced to 780 mm x 780 mm.
  • slices with a corresponding thickness allowance are removed from the ingot cut out from their quasi-monocrystalline volume blanks for functional components for equipment for semiconductor processing (especially for the production of so-called showerheads) cut out.
  • Under obliquely incident light of a source of illumination is a marking of the quasi-monocrystalline region (center region) of the disc.
  • the outer edge region is therefore the multicrystalline region of the disc.
  • the quasi-monocrystalline center region is now being examined in more detail in which number or at what location within the quasi-monocrystalline matrix foreign or twin boundaries could be present and in which class FK 1 to FK 5 or ZI to Z 5 this center region or correspondingly predetermined Areas thereof, which are suitable for the production of high-impedance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing, can be grouped.
  • Such high-resistance optical components or high-resistance functional components for systems for semiconductor processing are, for example, blanks for round or high-impedance optical components (eg mirrors, lenses) or high-resistance functional components for systems for semiconductor processing (in particular showerheads) of the dimensions 0 600 mm ⁇ 10 mm or 0 540 mm x 10 mm or 0 300 mm x 6 mm or 0 250 mm x 10 mm.
  • this center area or corresponding predetermined areas thereof which appear suitable for the production of functional components, examined by means of scanning or imaging measurement techniques (such as MDP, ⁇ -PCD or PL) and divided into the classes Cl to C5.
  • a sample is also cut out of the quasi-monocrystalline center region to control the resistivity by means of a 4-peak measuring site, i. to confirm that he e.g. is within the required range of greater than 5 ⁇ .
  • the selection of a range of dimensions and classification (FK1-FK5, Z1-Z5 and C1-C5) suitable range of the quasi-monocrystalline center region A (see example in Fig. 3) for the blank Now work out the blanks from the disc.
  • the blank surface now corresponds to a newly defined test surface for which the classification applies.
  • Such components or components may be:
  • Imaging components such as lenses, mirrors, prisms or disks, which may also be provided with reflective or diffractive structures or coatings.
  • an example of such a component is an electrode plate (also referred to as a showerhead or electrode plate or gas distribution plate), as used in semiconductor processing, for example, for the distribution of gases in plasma etching, plasma cleaning or CVD (Chemical Vapor Deposition) systems, as disclosed, for example, in US 2005/0173569 A1 or US 2001/0076401 Al, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.
  • an electrode plate also referred to as a showerhead or electrode plate or gas distribution plate
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a blank as described above, a method for its production, as described above, and its use for optical components of quasi-monocrystalline silicon for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 ⁇ to 10 ⁇ , more preferably in the range , 4 ⁇ to 8 ⁇ , particularly preferred range 2 ⁇ to 5 ⁇ and disclosed for components of quasi-monocrystalline silicon in plants for processing of semiconductors, as described above.
  • thermocouple with protective tube 16 thermocouple with protective tube

Abstract

The invention relates to the use of quasi-monocrystalline silicon, which is preferably produced according to the method of directional solidification, for high ohmic optical components for use in the infrared spectral region or for high ohmic functional components in installations for semiconductor processing, in particular for showerheads. The blanks have a concentration of individual dislocations in the range of 102 to 106 cm-2 in both a dislocation cluster and in small-angular grain-boundary-free volumes, and a specific resistance of greater than 5 Ωcm, may contain foreign grains, twin grain boundaries or clusters of dislocations of small-angular grain boundaries, and can thus be produced more cheaply and efficiently than blanks made of monocrystalline silicon according to the Czochralski or float zone methods.

Description

Rohling aus Silizium, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung desselben  Blank of silicon, process for its preparation and use thereof
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Prioritäten der folgenden Patentanmeldungen, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme mit aufgenommen sei: Deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2013 102 983.3, „Rohling aus Silizium, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung desselben", angemeldet am 22.03.2013; Deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2013 107 189.9, „Rohling aus Silizium, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung desselben", angemeldet am 08.07.2013; Deutsche Patentanmeldung Nr. 10 2014 101 222.4„Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Ingots sowie einer Keimschicht hierfür", angemeldet am 31.01.2014; Internationale Patentanmeldung Nr. PCT/EP2014/055453 „Rohling aus Silizium, Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung desselben", angemeldet am 18.03.2014. The present application claims the benefit of the following patent applications, the entire contents of which are hereby incorporated by reference: German Patent Application No. 10 2013 102 983.3, "Blank made of silicon, method for its production and use thereof", filed on 22.03.2013 German Patent Application No. 10 2013 107 189.9, "Blank of silicon, process for its preparation and use thereof", filed on 08.07.2013; German Patent Application No. 10 2014 101 222.4 "Method for producing a silicon ingot and a seed layer therefor", filed on 31.01.2014; International Patent Application No. PCT / EP2014 / 055453 "Blank made of silicon, method for its production and use thereof" , registered on 18.03.2014.
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft allgemein einen Rohling (Blank) aus quasi-monokristallinem Silizium, wie nachfolgend definiert, sowie dessen Herstellung und Verwendung, und betrifft insbesondere die Verwendung von quasimonokristallinem Silizium, welches bevorzugt nach dem Verfahren der gerichteten Erstarrung hergestellt wird, für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μιη bis 10 μιη, bevorzugter im Bereich 1,4 μιη bis 8 μιη, und für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie zum Beispiel für Showerheads in z.B. Ätzanlagen, Reinigungsanlagen oder Beschichtungsanlagen. The invention relates generally to a blank made of quasi-monocrystalline silicon, as defined below, and to the production and use thereof, and in particular to the use of quasi-monocrystalline silicon, which is preferably produced by the directional solidification method, for optical components for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 μιη to 10 μιη, more preferably in the range of 1.4 μιη to 8 μιη, and for functional components in systems for semiconductor processing such as for showerheads in eg Etching, cleaning or coating equipment.
Stand der Technik Monokristalline hochohmige optische Bauteile aus Silizium und monokristalline hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung aus Silizium werden derzeit ausnahmslos aus Ingots gewonnen, die nach dem Czochralski (CZ)-Verfahren oder dem Float Zone (FZ)-Verfahren hergestellt werden. Hochohmig bezeichnet hier den Bereich des spezifischen Widerstandes von größer als 5 Qcm, und der verwendete Gutbereich dieser Ingots ist zylindrisch. Der Durchmesser entspricht dem von Ingots, welche zur Herstellung von Halbleiterwafem dienen, welche zur Herstellung integrierter Schaltkreise Verwendung finden. Die Durchmesser solcher Ingots sind durch die Limitierungen des CZ- Verfahrens bzw. FZ- Verfahrens typischerweise auf 150 mm, 200 mm, 300 mm oder 450 mm begrenzt. Im Maximum sind mit dem CZ- Verfahren bisher Durchmesser bis 550 mm erreicht. PRIOR ART Monocrystalline high-resistance optical components made of silicon and monocrystalline high-resistance functional components in silicon semiconductor processing plants are currently obtained without exception from ingots produced by the Czochralski (CZ) method or the float zone (FZ) method. Here, high resistance refers to the range of resistivity greater than 5 Ωcm, and the used range of these ingots is cylindrical. The diameter corresponds to that of ingots which are used for the production of semiconductor wafers which are used for the production of integrated circuits. The diameters of such ingots are typically limited to 150 mm, 200 mm, 300 mm or 450 mm due to the limitations of the CZ method or FZ method. At the maximum, the CZ process has so far reached diameters of up to 550 mm.
Die gleichen geometrischen Limitierungen gelten auch für die Herstellung hochohmiger monokristalliner Showerheads, wie sie z.B. in Plasmaätzanlagen, Plasmareinigungsanlagen oder Beschichtungsanlagen verwendet werden. Halbzeuge (auch Blanks oder Vorformen genannt) für monokristalline optische Bauteile oder für monokristalline Silizium-Funktionsbauteile in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern werden wegen dieser Limitierung stets nur so spezifiziert, dass sie aus den zylindrischen Silizium-Ingots herausgeschnitten werden können, aus denen standardmäßig auch Silizium- Halbleiterwafer hergestellt werden. Das Herausschneiden erfolgt dabei in radialer Richtung, wodurch runde Scheiben entstehen, deren Stirnflächen kristallografisch der Aufwachsrichtung des Kristalls (typisch (100) oder (111)) entsprechen. Der maximal mögliche Halbzeugdurchmesser entspricht dabei dem Ingotdurchmesser. Es können jedoch auch Halbzeuge für optische Elemente in Längsrichtung aus dem Ingot herausgeschnitten werden. Dabei ist die Länge durch die Ingotlänge und die Breite sowie die Dicke durch den Ingotdurchmesser begrenzt. Die Hauptmenge aller Ingots werden in (lOO)-Richtung gezüchtet. Die Einschränkung auf die Herstellungsverfahren CZ bzw. FZ limitiert daher besonders die Länge mal Breite von (lOO)-orientierten Halbzeugen. Da die Herstellung von CZ-Ingots größer 320mm Rohdurchmesser extrem teuer und kaum verfügbar ist, wird dieses Material für solche Funktionsbauteile nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Oft wird notgedrungen auf preiswertes multikristallines Material zurückgegriffen, das allerdings Nachteile bei der Anwendung hat. Die an Blanks für derartige optische Funktionsbauteile bzw. Bauteile gestellten Qualitätsanforderungen beinhalten bisher stets eine intrinsische Materialqualitätsanforderungen bzgl. Gehalt an metallischen Verunreinigungen, Stickstoff, Sauerstoff, an Kohlenstoff, den spezifischen elektrischen Widerstand und den Transmissionsgrad bei bestimmten Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung. Je nach Anwendungsfall wird noch eine Dotierungsart (p-leitend oder n-leitend), eine bestimmte kristallografische Orientierung in Verbindung mit dem Format (rund oder eckig) und eine bestimmte Reinheit (z.B. 7N) gefordert. The same geometric limitations also apply to the production of high-resistance monocrystalline showerheads, such as those used in plasma etching plants, plasma cleaning plants or coating plants. Because of this limitation, semi-finished products (also called blanks or preforms) for monocrystalline optical components or monocrystalline silicon functional components in semiconductor processing plants are always specified in such a way that they can be cut out of the cylindrical silicon ingots, from which silicon is also standard - Semiconductor Wafers are produced. The cutting takes place in the radial direction, resulting in round discs whose end faces correspond crystallographically the growth direction of the crystal (typically (100) or (111)). The maximum possible semifinished diameter corresponds to the ingot diameter. However, it is also possible to cut out semi-finished products for optical elements in the longitudinal direction from the ingot. The length is limited by the Ingotlänge and the width and the thickness by the ingot diameter. The majority of all ingots are grown in the (100) direction. The restriction to the production methods CZ and FZ therefore limits the length and width of (100) -oriented semi-finished products, in particular. Since the production of CZ ingots larger than 320mm raw diameter is extremely expensive and hardly available, this material is used for such functional components only in exceptional cases. Often it is necessary to resort to inexpensive multicrystalline material, which, however, has disadvantages in the application. The quality requirements imposed on blanks for such optical functional components or components have hitherto always involved an intrinsic material quality requirement with regard to the content of metallic impurities, nitrogen, oxygen, carbon, the specific electrical resistance and the transmittance at certain wavelengths of electromagnetic radiation. Depending on the application, a doping (p-type or n-type), a specific crystallographic orientation in connection with the format (round or square) and a certain purity (eg 7N) is required.
Da am Markt neben CZ- bzw. FZ-Material kein anderes monokristallines Material entsprechender Dotierung erhältlich ist, wurde nie hinterfragt, ob die hohe Qualität des teuren CZ-Materials bzw. des noch teureren FZ-Materials für die Anwendung als monokristalline hochohmige optische Bauteile aus Silizium bzw. für hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung aus Silizium wirklich zwingend notwendig ist. Silizium als im infraroten Wellenlängenbereich transparentes Material wird bevorzugt im Wellenlängenbereich 1,4 bis 8μιη eingesetzt, mit einem Hauptanwendungsgebiet im mittleren infraroten Wellenlängenbereich von 2 μιη-5 μιη. Das wesentlich teurere Germanium wird vor allem verwendet, wenn das Anwendungsgebiet bis 14 μιη erweitert werden muss. In der Patentschrift DE 11 2009 004 379 T5 (entsprechend der US 2001/0243162 AI) wird ein Lösungsweg beschrieben, der dem Ziel eines kostengünstigen Produktes für infrarotoptische Elemente, insbesondere solchen, die in Geräten zur Detektion der von Lebewesen ausgehenden Wärmestrahlung verwendet werden, entspricht. Diese Lösung nutzt hochreines polykristallines Material, welches direkt aus dem Siemens-Prozess stammt und daher keine bestimmte Kristallorientierung aufweist. Auch erreicht es insbesondere im SWIR (short wavelength IR) 1,4 μηι - 3,3 μηι aber auch dem MWIR (mid wavelength IR) 3,0 μιη - 8 μιη nicht die für monokristallines Material erreichbare hohe Transmission. Weiterhin ist es bezüglich seiner geometrischen Abmessungen auf die für polykristalline Stabdurchmesser typische Größe von ca. 200 mm limitiert. Since no other monocrystalline material of corresponding doping is available on the market in addition to CZ or FZ material, it was never questioned whether the high quality of the expensive CZ material or even more expensive FZ material for use as monocrystalline high-impedance optical components Silicon or for high-impedance functional components in systems for semiconductor processing of silicon really is absolutely necessary. Silicon as the transparent material in the infrared wavelength range is preferably used in the wavelength range 1.4 to 8μιη, with a main application area in the middle infrared wavelength range of 2 μιη-5 μιη. The much more expensive germanium is mainly used when the field of application has to be extended to 14 μιη. In the patent DE 11 2009 004 379 T5 (corresponding to US 2001/0243162 AI), an approach is described, which corresponds to the goal of a low-cost product for infrared optical elements, in particular those used in devices for detecting the emanating from living organisms thermal radiation , This solution uses high-purity polycrystalline material, which comes directly from the Siemens process and therefore has no specific crystal orientation. Also it achieves in particular in the SWIR (short wavelength IR) 1.4 μηι - 3.3 μηι but also the MWIR (mid-wavelength IR) 3.0 μιη - 8 μιη not achievable for monocrystalline material high transmission. Furthermore, it is limited in terms of its geometric dimensions to the typical for polycrystalline rod diameter size of about 200 mm.
In der US2012/0176668 wird ein infrarotoptisches System beschrieben, dass allerdings auf monokristallines Silizium zurückgreift, welches nach dem CZ- Verfahren, dem MCZ- Verfahren (CZ- Verfahren unter Nutzung eines Magnetfeldes) oder dem FZ- Verfahren hergestellt ist. Dieses Vorgehen überwindet den Nachteil des hohen Materialpreises des monokristallinen Siliziums und den der begrenzten geometrischen Abmaße für einsetzbare Halbzeuge zur Fertigung der Linsenelemente nicht. In US2012 / 0176668 an infrared optical system is described, however, which uses monocrystalline silicon, which is produced by the CZ method, the MCZ method (CZ method using a magnetic field) or the FZ method. This procedure does not overcome the disadvantage of the high material price of the monocrystalline silicon and the limited geometric dimensions for usable semi-finished products for the production of the lens elements.
Für in der Halbleiterindustrie zur Prozessierung von Halbleitern eingesetzte Bauteile, insbesondere Elektrodenplatten zur Verteilung von Gasen (auch als Showerheads oder Electrode Plates oder Gas Distribution Plate bezeichnet) in Plasmaätzanlagen oder Platten zur Verteilung von Gasen in CVD-Anlagen (Chemical Vapour Deposition) verwendet, sind die Limitierungen vor allem geometrischer Natur. Elektrodenplatten müssen zum einen einen größeren Durchmesser haben als der prozessierte Wafer und zum anderen eine hohe radiale Homogenität des spezifischen Widerstandes aufweisen. For components used in the semiconductor industry for processing semiconductors, in particular electrode plates for the distribution of gases (also referred to as showerheads or electrode plates or gas distribution plates) in plasma etching plants or plates for the distribution of gases in CVD (Chemical Vapor Deposition) plants the limitations, above all, of a geometric nature. Electrode plates must on the one hand have a larger diameter than the processed wafer and on the other hand have a high radial homogeneity of the specific resistance.
Die JP 2000-144457 beschreibt einen Weg, der es gestattet für das Trockenätzen eines Wafers mit max. 300 mm Durchmesser eine Elektrodenplatte eines um mindestens 20% größeren Durchmessers (gemäß konkreter Beschreibung in dieser Anmeldung: Durchmesser 365 mm x Dicke 11,2 mm) einzusetzen. Da zum damaligen Zeitpunkt noch keine CZ-Ingots größer 300 mm verfügbar waren, wurde ein multikristalliner Ingot verwendet. Da zum damaligen Zeitpunkt aber bereits bekannt war, dass die vielen Korngrenzen eines multikristallinen Ingots nachteilig sind, wurde dieser Nachteil abgemildert, indem gemäß dieser Erfindung die Scheibe zur Fertigung der Elektrodenplatte vertikal (d.h. in Wachstumsrichtung des Ingots) aus dem Ingot herausgeschnitten wurde. JP 2000-144457 describes a way of allowing dry etching of a wafer with max. 300 mm diameter, use an electrode plate of at least 20% larger diameter (according to concrete description in this application: diameter 365 mm x thickness 11.2 mm). Since at that time no CZ ingots larger than 300 mm were available, a multicrystalline ingot was used. However, since it was already known at that time that the many grain boundaries of a multicrystalline ingot are detrimental, this disadvantage was mitigated by cutting the wafer vertically out of the ingot (i.e., in the growth direction of the ingot) to make the electrode plate according to this invention.
Die Maximalgröße von Wafern ist derzeit 450 mm, wodurch während ihrer Prozessierung in Plasmaätzanlagen oder CVD-Anlagen entsprechend größere Elektrodenplatten bzw. Gas Distribution Plates benötigt werden. Unabhängig vom Durchmesser des zu ätzenden Wafers, werden Elektrodenplatten verwendet, die sogar bis zum Doppelten so große Durchmesser aufweisen, wie der zu ätzende Wafer. At present, the maximum size of wafers is 450 mm, which requires correspondingly larger electrode plates or gas distribution plates during their processing in plasma etching systems or CVD systems. Regardless of the diameter of the wafer to be etched, electrode plates are used which have as large a diameter even up to twice as the wafer to be etched.
Die Abmilderung des negativen Einflusses der Korngrenzen (Partikelgenerierung) wird in der JP 2000-144457 jedoch damit erkauft, dass infolge der Segregation beim Züchtungsprozess eine Änderung des spezifischen Widerstandes in Wachstumsrichtung des Ingots und damit quer über die Elektrodenplatte auftritt. The mitigation of the negative influence of the grain boundaries (particle generation) is, however, bought in JP 2000-144457, that due to the segregation during the breeding process, a change of the resistivity in the growth direction of the ingot and thus occurs across the electrode plate.
Die JP2007-158007 beschreibt die Variation des spezifischen Widerstandes selbst dann als nachteilig, wenn Electrode Plates aus CZ-Ingots gefertigt werden. Diese weisen verfahrensbedingt eine radiale Veränderung des spezifischen Widerstandes auf. Die JP 2007- 158007 lehrt, dass die radiale Schwankung des spezifischen Widerstandes einer Electrode Plate 5% nicht überschreiten darf. Gemäß der Ausführungsbeispiele (insbesondere Beispiel 4) wird diese Grenze nur dann nicht überschritten, wenn wie z.B. in Beispiel 4 von einem CZ- Ingot mit 380 mm Durchmesser ein Randbereich von 40 mm abgetragen wird. Die finale Elektrodenplatte weist somit einen Durchmesser von lediglich 300 mm auf. JP2007-158007 describes the variation of resistivity as disadvantageous even when Electrode Plates are made from CZ ingots. Due to the method, these have a radial change in the specific resistance. JP 2007-158007 teaches that the radial variation in the resistivity of an electrode Plate may not exceed 5%. According to the embodiments (in particular Example 4), this limit is only exceeded if, for example, in Example 4 of a CZ ingot with 380 mm diameter, an edge region of 40 mm is removed. The final electrode plate thus has a diameter of only 300 mm.
Unter Berücksichtigung der JP 2000-144457 und der JP 2007-158007 ist die Herstellung von Showerheads für Trockenätzanlagen für die Prozessierung von 450 mm Wafern aus Ingots aus dem CZ- Verfahren, welches momentan nur Ingots bis max. 550 mm Durchmesser zulässt, ohne Überschreitung des Schwankungsbereiches für den spez. Widerstand von 5% nicht möglich. Taking into account JP 2000-144457 and JP 2007-158007, the production of showerheads for dry etching systems for the processing of 450 mm wafers from ingots from the CZ process, which currently only ingots up to max. 550 mm diameter, without exceeding the fluctuation range for the spec. Resistance of 5% not possible.
Für die Photovoltaikindustrie wurde gemäß dem Stand der Technik ein Verfahren der gerichteten Erstarrung von Ingots entwickelt, um einheitlich (lOO)-orientierte Solarzellen ohne Korngrenzen und dadurch leistungsstärkere Solarzellen herstellen zu können (vgl. EP 2028292, WO 2007/084934, WO 2009/014957). Bei diesem Verfahren finden auf dem Tiegelboden angeordnete monokristalline Keime Verwendung, welche die gerichtete Erstarrung einleiten und führen sollen. Die Anmelder dieser Patente haben die beschriebenen Herstellungsverfahren und die Methoden der Materialevaluierung jedoch nicht für andere Anwendungsfälle weiterentwickelt, da sie diese Anwendungsfälle weder in Betracht gezogen noch für möglich gehalten haben. Exemplarisch belegen dies die Aussagen in [0002] der EP 2028292 oder [003] in WO 2007/084934 oder [002] in WO 2009/014957. According to the state of the art, a method of directional solidification of ingots was developed for the photovoltaic industry in order to be able to produce uniform (100) -oriented solar cells without grain boundaries and thus more powerful solar cells (cf EP 2028292, WO 2007/084934, WO 2009/014957 ). In this method, arranged on the bottom of the crucible monocrystalline seeds use that initiate directional solidification and should lead. However, the applicants of these patents have not further developed the described production methods and the methods of material evaluation for other applications, since they have neither considered nor considered these applications possible. These are exemplified by the statements in [0002] EP 2028292 or [003] in WO 2007/084934 or [002] in WO 2009/014957.
Bei diesen speziell für die Photovoltaikindustrie entwickelten Kristallisationsverfahren wird nach Abtrennen eines Randbereiches, welcher sich durch die standardisierte Tiegelgröße zwangsläufig ergibt, und dem Abtrennen eines Deckel- und Bodenbereiches der gesamte Ingot zu Solarwafern weiterverarbeitet. In these crystallization processes developed especially for the photovoltaic industry, the entire ingot is further processed into solar wafers after the separation of an edge region, which inevitably results from the standardized crucible size, and the separation of a lid and bottom region.
In der Photovoltaikindustrie ist der elektrische Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen das wichtigste Qualitätskriterium für deren Einsatz. Es ist bekannt, dass mit monokristallinen Solarwafern, die nach dem CZ- Verfahren hergestellt werden, höhere Wirkungsgrade erzielt werden können als mit multikristallinen Solarwafern. Ursache hierfür sind insbesondere Rekombinationen von unter Sonneneinstrahlung erzeugten Ladungsträgern an der Vielzahl im Material vorhandener Korngrenzen. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG In the photovoltaic industry, the electrical efficiency of the solar cells used is the most important quality criterion for their use. It is known that with monocrystalline solar wafers, which are produced by the CZ process, higher efficiencies can be achieved than with multicrystalline solar wafers. This is due, in particular, to recombinations of charge carriers generated under solar irradiation at the large number of grain boundaries present in the material. SUMMARY OF THE INVENTION
Die Erfindung hat das Ziel, ein quasimonokristallines Silizium-Kristallmaterial, wie nachfolgend definiert, für hochohmige optische Bauteile aus quasimonokristallinem Silizium für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für hochohmige Funktionsbauteile aus quasimonokristallinem Silizium zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung bereitzustellen, das wesentlich preiswerter als herkömmliches monokristallines Material, das aus dem CZ- bzw. FZ- Verfahren entstammt, herzustellen ist und das nur solche technischen Anforderungen an diese optischen Bauteile bzw. Funktionsbauteile wie z.B. Linsenblanks, Spiegel, Showerheads erfüllt, welche für den Anwendungsfall auch tatsächlich zwingend sind. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch einen Blank (Rohling) nach Anspruch 14 sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 24. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unter anspräche. The invention aims to provide a quasi-monocrystalline silicon crystal material, as defined below, for high-resistance quasi-monocrystalline silicon optical components for high-frequency spectral applications or high-resistance quasi-monocrystalline silicon functional components for use in semiconductor processing equipment, which is significantly less expensive than conventional monocrystalline material , which originates from the CZ or FZ process, is produced and meets only such technical requirements for these optical components or functional components such as lens blanks, mirrors, showerheads, which are actually mandatory for the application. This object is achieved by a method according to claim 1, by a blank (blank) according to claim 14 and by a use according to claim 24. Further advantageous embodiments are the subject of the related subclaims.
Der Begriff„quasimonokristallin" taucht als Fachterminus in der Solarzellenfertigung etwa im Jahr 2010 erstmals auf. Dieser Begriff soll im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Silizium-Material bezeichnen, welches in einem Schmelztiegel oder dergleichen gerichtet erstarrt wird, wobei der Boden des Schmelztiegels mit einer einstückig oder mehrstückig ausgebildeten monokristallinen oder quasi-monokristallinen Keimschicht, die insbesondere aus einem CZ- oder FZ- Verfahren stammt, ausgelegt wird, die Keimschicht angeschmolzen werden und diese während des Kristallwachstums bzw. der gerichteten Erstarrung der Silizium-Schmelze ihre kristallographische Orientierung auf frisch kristallisiertes Material über der Keimschicht überträgt. Die Keimplatte(n) der Keimschicht kann (können) auch aus Silizium-Material hergestellt sein, dass bereits einem Prozess entstammt, wie er im vorangegangenen Satz dargestellt ist und damit bereits aus quasimonokristallinem Material bestehen. Während quasimonokristallines Silizium-Material für die Solarzellenfertigung auch noch multikristalline Volumenanteile enthalten darf, besteht quasimonokristallines Silizium- Material im Sinne der vorliegenden Erfindung aus einem einzigen Korn, das jedoch Versetzungscluster und Kleinwinkelkorngrenzen mit einem gewissen Anteil enthalten darf, wobei das Korn sowohl darin enthaltene Zwillinge als auch Fremdkörner, sofern vorhanden, vollständig umschließen soll. Für den Einsatz in der Photo voltaik finden sich für den Begriff „quasimonokristallin" auch synonyme Bezeichnungen, wie beispielsweise mono-like, near- monocrystalline Silicon, M-Grade, U-Grade und weitere, die jedoch herstellerspezifisch nur für Solarwafermaterial gelten und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. The term "quasi-monocrystalline" first appears as a technical term in solar cell production in about 2010. In the context of the present application, this term is intended to denote a silicon material which is directionally solidified in a crucible or the like, wherein the bottom of the crucible is integrally formed with one or multi-piece monocrystalline or quasi-monocrystalline seed layer, which originates in particular from a CZ or FZ process is designed, the seed layer are melted and this crystal growth or the directional solidification of the silicon melt their crystallographic orientation on freshly crystallized material The seed plate (s) of the seed layer may also be made of silicon material that already originates from a process as shown in the previous sentence and thus already consists of quasi-monocrystalline material For the purposes of the present invention, quasi-monocrystalline silicon material in the sense of the present invention consists of a single grain, which may, however, contain dislocation clusters and small-angle grain boundaries with a certain proportion, wherein the grain contains twins contained therein as well Foreign grains, if present, should completely enclose. For use in photovoltaics, the term "quasi-monocrystalline" also includes synonymous designations, such as, for example, mono-like, near-monocrystalline silicone, M-grades, U-grades and others, which, however, are specific to the manufacturer only for solar wafer material in this field are known.
Der Begriff „Blank", wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, bezeichnet einen Rohling oder ein Halbzeug, welches aus einem nach einer Züchtung entstehenden Rohkristall herausgearbeitet wird, um die Materialqualität dieses Blanks an seiner Oberfläche und/oder in seinem Inneren bewerten zu können. Dieses Blank ist eine runde oder eckige Scheibe mit Dicke größer 0,5mm und kleiner 30mm. Ein für die beabsichtigte Anwendung als verwendbar bewertetes Blank erfährt nach seiner Bewertung eine weitere Bearbeitung, um die finale Geometrie und Oberflächenqualität des Bauteiles einzustellen. Showerheads im Sinne der vorliegenden Anmeldung, wie sie z.B. in Plasmaätzanlagen Verwendung finden, werden synonym oft auch als Elektrodenplatten oder Shower Head Elektroden oder Gas Distribution Plates bezeichnet. The term "blank", as used in the present application, refers to a blank or a semi-finished product which is produced from a crude crystal produced after a cultivation in order to be able to evaluate the material quality of this blank on its surface and / or in its interior This blank is a round or angular disk with a thickness greater than 0.5 mm and less than 30 mm A blank rated as suitable for the intended application is further processed after its evaluation in order to adjust the final geometry and surface quality of the component The present application, as used, for example, in plasma etching systems, are also often synonymously referred to as electrode plates or shower head electrodes or gas distribution plates.
Das erfindungsgemäße quasimonokristalline Silizium-Kristallmaterial für hochohmige optischen Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für hochohmige Funktionsbauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung ist nur so gut wie wirklich erforderlich und kann damit kostengünstiger als herkömmlich hergestellt werden. Mit anderen Worten können erfindungsgemäß Kostenvorteile dadurch realisiert werden, dass nur die für ein zufriedenstellendes Bauteil unbedingt notwendigen Eigenschaften eingehalten werden. Es wurde überraschenderweise herausgefunden, dass bestimmte Defekte bzw. der Grad ihrer Ausprägung, die in für Halbleiterwafer verwendbarem Silizium-Material nicht oder nicht in dem Maße auftreten dürfen, die Funktionstüchtigkeit von optischen Bauteilen oder auch von Funktionsbauteilen zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung nicht oder nicht wesentlich beeinträchtigen. Für Bauteile einer Größe, die mit den gängigen Kristallisationsverfahren für monokristallines Silizium (CZ, FZ) nicht oder nur extrem teuer herstellbar sind, ergibt sich sogar erstmals die Möglichkeit, diese aus dem vergleichsweise defekthaltigeren quasimonokristallinen Silizium nach vorliegender Erfindung monolithisch zu fertigen. Bisher mussten diese großen Funktionsbauteile entweder als ganzes Teil aus multikristallinem Material gefertigt werden oder aus monokristallinen oder multikristallinen Materialsegmenten zusammengefügt werden. Funktionsbauteile aus multikristallinem Material weisen jedoch weit geringere Standzeiten auf. Segmentierte Funktionsbauteile haben einen hohen Fertigungsaufwand. The quasi-monocrystalline silicon crystal material according to the invention for high-resistance optical components for applications in the infrared spectral range or for high-resistance functional components for use in systems for semiconductor processing is only as good as really required and can thus be produced more cost-effectively than conventionally. In other words, according to the invention, cost advantages can be realized in that only those properties which are absolutely necessary for a satisfactory component are maintained. It has surprisingly been found that certain defects or the degree of their expression, which do not or can not be used in silicon material which can be used for semiconductor wafers are not allowed to occur to the same extent, the functionality of optical components or even functional components for use in systems for semiconductor processing not or not significantly affect. For components of a size that are not or only extremely expensive to produce with the conventional crystallization process for monocrystalline silicon (CZ, FZ), even the first time there is the possibility to monolithically produce this from the relatively defect-containing quasi-monocrystalline silicon according to the present invention. Until now, these large functional components either had to be manufactured as a whole part from multicrystalline material or assembled from monocrystalline or multicrystalline material segments. However, functional components made of multicrystalline material have far shorter service lives. Segmented functional components have a high production cost.
Überraschenderweise wurde von den Erfindern auch herausgefunden, dass eine flächige Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer (oder einer damit korrelierenden physikalischen Größe) bei Silizium und anderen Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid bzw. anderen sogenannten Verbindungshalbleitern ein sehr einfaches, schnelles und zerstörungsfreies Verfahren ist, um die Standzeit oder den Verschleiß (Materialabtrag durch Ätzgaseinwirkung oder Generierung störender Partikel) oder die Polierbarkeit von Blanks zur Verwendung für optische Bauteile oder auch für Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung unter Betriebsbedingungen grob zu bewerten. Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen (optisch unkritisch) lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustern (optisch kritisch, wenn die Verkippung der Subkörner mehr als 20° erreicht und bei bestimmten elektrischen Anwendungen kritisch) unterscheiden. Die Messtechnik, eigentlich zur Bewertung der elektrischen Qualität von Solarsilizium bzw. zur Bestimmung des erreichbaren Wirkungsgrades von Solarzellen entwickelt, kann mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Bewertung der optischen Qualität, der strukturellen Qualität bzw. chemischen Stabilität von quasimonokristallinem Silizium genutzt werden. Somit stehen einfache, kostengünstige und rasch auszuführende Verfahren zur Bewertung zur Verfügung. Hierbei wird die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks mit beispielsweise folgenden Verfahren untersucht: μ-PCD ( microwa ve-detected. Photo-Conductance Decay measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL ( Photolumineszenz), oder ähnlichen rasternden oder bildgebenden Messtechniken. Alle diese Messtechniken ermitteln einen Wert, welcher der Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Oberfläche proportional ist. Hierbei ist die räumliche Auflösung der jeweiligen Messtechniken unterschiedlich; sie kann von einigen μιη bis einigen mm reichen. In der Nähe eng benachbarter Versetzungslinien - d.h. im Bereich von Versetzungsclustern - sinkt die Ladungsträgerlebensdauer stark ab, da die Versetzungslinien bzw. Kleinwinkelkorngrenzen Orte sehr hoher Ladungsträgerrekombination darstellen und die Abstände der Versetzungslinien die Diffusionslänge der Ladungsträger unterschreitet. Einzige Bedingung an das Material ist, dass keine anderen Rekombinationsmechanismen die Rekombination an den Versetzungslinien dominant überlagern dürfen. Das heißt, eine massive Kontamination z.B. mit im Volumen gleichmäßig verteilten metallischen Verunreinigungen verhindert diese Art der Erfassung von Versetzungsclustern. Insbesondere Übergangsmetalle wie Fe, Cr, Co, Ni, Ti und dergleichen sollten eine Konzentration von 0,1 ppm nicht überschreiten. Surprisingly, it has also been found by the inventors that planar determination of carrier lifetime (or physical quantity correlating therewith) with silicon and other semiconductor materials such as germanium, gallium arsenide and other so-called compound semiconductors is a very simple, fast and nondestructive method to improve tool life To roughly evaluate the wear (removal of material by etching gas or generation of interfering particles) or the polishability of blanks for use for optical components or also for functional components for systems for semiconductor processing under operating conditions. Areas with only isolated dislocations (optically uncritical) can thus be distinguished from those with dislocation clusters (optically critical if the tilting of the subgrains reaches more than 20 ° and critical in certain electrical applications). The measurement technique, actually developed for evaluating the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for assessing the optical quality, the structural quality or chemical stability of quasi-monocrystalline silicon. Thus, simple, inexpensive and quick to perform evaluation procedures are available. In this case, the surface of the workpiece to be examined is examined with the following methods, for example: μ-PCD (microwave ve-detected), MWC (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging techniques. All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface. Here, the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; It can range from a few μιη to a few mm. In the vicinity of closely spaced dislocation lines - ie in the region of dislocation clusters - the carrier lifetime decreases greatly, since the dislocation lines or small angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines go below the diffusion length of the charge carriers. The only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. This means that a massive contamination, for example, with evenly distributed in the volume of metallic impurities prevents them Type of detection of dislocation clusters. In particular, transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.
Ein bekanntes keimbasiertes Verfahren der gerichteten Erstarrung von Silizium zur Herstellung von quasimonokristallinen Si-Ingots für die Photovoltaikindustrie wird entsprechend vorliegender Erfindung abgewandelt, insbesondere hinsichtlich der Möglichkeit der gezielten Einstellung der Konzentration an freien Ladungsträgern auf einem bestimmten Niveau kleiner als 5* 1015/cm3, und um ein Zuteilungs- und Bewertungsverfahren derart ergänzt, dass ein Volumenanteil des entstehenden Ingots definiert und bewertet wird, so dass dieser sowohl für die Herstellung hochohmiger quasimonokristalliner optischer Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich als auch von hochohmigen quasimonokristallinen Funktionsbauteilen zur Verwendung in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern Verwendung finden kann. Das Zuteilungs- und Bewertungsverfahren kann jedoch ausdrücklich auch für anders hergestelltes Silizium-Kristallmaterial Verwendung finden. Dazu zählt Silizium-Material, das nach dem bekannten Czochralski- Verfahren hergestellt wurde und ungewollte Zwillinge enthält und dadurch für Halbleiterwafer nicht einsetzbar ist, oder Silizium-Material, das nach einem dem Kyropoulos- Verfahren angelehnten Züchtungsverfahren für Silizium ohne Tiegelkontakt hergestellt ist (vgl. Nakajima et al, J. Cryst. Growth 372(2013)121-128). A known grain-based method of directional solidification of silicon for the production of quasi-monocrystalline Si ingots for the photovoltaic industry is modified according to the present invention, in particular with regard to the possibility of targeted adjustment of the concentration of free charge carriers at a certain level less than 5 * 10 15 / cm 3 and adds an allocation and evaluation method to define and evaluate a volume fraction of the resulting ingot so that it can be used to fabricate high-resistance quasi-monocrystalline optical components for infrared spectral applications as well as high-resistance quasi-monocrystalline functional components for use in processing equipment of semiconductors can be used. However, the allotment and evaluation method can be used expressly for differently manufactured silicon crystal material. These include silicon material which was produced by the known Czochralski method and contains unwanted twins and thus can not be used for semiconductor wafers, or silicon material which is produced by a method based on the Kyropoulos method for silicon without crucible contact (cf. Nakajima et al, J. Cryst. Growth 372 (2013) 121-128).
Im Falle der Verwendung eines keimbasierten Züchtungsverfahrens in einem Tiegel nach der Methode der gerichteten Erstarrung zur erfindungsgemäßen Herstellung des mono bzw. quasimonokristallinen Siliziums in einer Züchtungsanlage des Bridgman-Types oder einer VGF-Anlage(Vertical Gradient Freeze) werden prinzipiell die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt: In the case of using a germ-based culture method in a crucible according to the method of directional solidification for the production according to the invention of mono or quasi-monocrystalline silicon in a Bridgman-type cultivating plant or a Vertical Gradient Freeze (VGF) plant, the following process steps are carried out in principle:
Herstellen eines quasimonokristallinen Ingots durch gerichtete Erstarrung in einem Schmelztiegel;  Producing a quasi-monocrystalline ingot by directional solidification in a crucible;
Bodenschnitt, Mantelschnitt und Deckelschnitt am Ingot nach dessen Abkühlung und Entformung aus dem Schmelztiegel, um einen Ingotkern zu erhalten;  Bottom cut, mantle cut and lid cut on the ingot after its cooling and demolding from the crucible to obtain an ingot core;
- Messung des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit der Höhenkoordinate des Ingotkerns an einer seiner Außenseiten zur Bestimmung des für Blanks brauchbaren Höhenbereiches;  - Measurement of the resistivity as a function of the height coordinate of the ingot core on one of its outer sides for determining the height range useful for blanks;
Festlegen einer quasimonokristallinen Prüfoberfläche auf der Oberfläche des Ingotkerns oder einer von diesem horizontal abgetrennten Scheibe, die gleich dick oder dicker als das spätere Blank ist;  Determining a quasi-monocrystalline test surface on the surface of the ingot core or a slice separated horizontally thereof which is the same thickness or thicker than the later blank;
- Prüfung und Bewertung der Prüfoberfläche hinsichtlich Gehalt, Verteilung und/oder Qualitätsrelevanz von zumindest einer der Größen Fremdkörner, Zwillingsgrenzen oder Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen; und  - Testing and evaluation of the test surface with regard to content, distribution and / or quality relevance of at least one of the following: foreign grains, twin boundaries or clusters of dislocations or small-angle grain boundaries; and
- Heraustrennen des Blanks bzw. eines für Blanks geeigneten Volumens aus dem quasimonokristallinen Bereich der Scheibe, so dass das herausgetrennte Blank in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 bis kleiner l x l06 cm"2 aufweist und wobei das herausgetrennte Blank einen spezifischen Widerstand von größer 5 Ωαη aufweist. Dieser Ablauf besteht aus weiteren Detailschritten: Separating the blank from the quasi-monocrystalline region of the disc such that the blank removed in areas on its top or bottom containing no clusters of dislocations or small-angle grain boundaries has a concentration of discrete dislocations in the range greater than one x 10 2 to smaller lx l0 6 cm "2 and wherein the separated blank has a specific resistance greater than 5 Ωαη. This process consists of further detailed steps:
Es wird der Tiegelboden eines Schmelztiegels mit einem oder mehreren mono- oder quasimonokristallinen Silizium-Keimen belegt, bevorzugt mit undotierten Silizium-Keimen, so dass sich eine Keimschicht ausbildet. It is the crucible bottom of a crucible with one or more mono- or quasi-monocrystalline silicon nuclei occupied, preferably with undoped silicon nuclei, so that forms a seed layer.
Grundsätzlich kann bei dem Verfahren die Keimschicht einstückig ausgebildet sein und den Boden des Schmelztiegels bzw. Behälters vollständig bedecken. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Keimschicht jedoch auch aus einer Mehrzahl von Keimplatten ausgebildet sein, die unmittelbar aneinander grenzend (unter Ausbildung von möglichst schmalen Spalten dazwischen) auf dem Boden des Schmelztiegels angeordnet werden, um diesen vollständig zu bedecken. Bei einem Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Keimschicht aus einer Mehrzahl von Keimplatten können diese grundsätzlich auch nach einem Czochralski- Verfahren oder nach einem Floating-Zone- Verfahren hergestellt sein. In principle, in the method, the seed layer can be formed in one piece and completely cover the bottom of the crucible or container. However, according to a further embodiment, the seed layer can also be formed from a plurality of seed plates, which are arranged directly adjacent to each other (forming as narrow gaps as possible between them) on the bottom of the crucible in order to completely cover it. In a method for producing the aforementioned seed layer from a plurality of seed plates, they can in principle also be produced by a Czochralski method or by a floating zone method.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Mehrzahl von Keimplatten auf einer ebenen Keimunterlage angeordnet, die durch einen Sägeprozess plan ist oder sogar plan geschliffen ist. According to a further embodiment, the plurality of germination plates is arranged on a planar seedbed, which is flat by a sawing process or even ground flat.
Dabei können auf der ebenen Keimunterlage insbesondere eine Mehrzahl von Keimplatten angeordnet werden, deren Stoßflächen oder zusätzlich noch mindestens eine weitere Fläche geschliffen sind. Dabei werden die Stoßflächen benachbarter Keimplatten derart rechtwinklig geschliffen, dass bei Verwendung von drei oder mehr Keimplatten die Breite der entstehenden Spalte (von oben betrachtet) möglichst gering ist. Dabei ist von gleichrangiger Bedeutung, dass auch während des Anschmelzens der Keimplatten keine Spalte entstehen. Das heißt, dass auch bei seitlicher (horizontaler) Betrachtung der Keimplatte die geschliffenen Stoßflächen einen rechten Winkel aufweisen. Nach dem Schleifen weisen die geschliffenen Flächen(insbesondere die Kantenflächen) eine Rauigkeit von Rz gemäß DIN 4762 von kleiner als ΙΟΟμιη, bevorzugter kleiner als ΙΟμιη und besonders bevorzugt kleiner als 5μιη auf und ist deren Winkligkeit sowohl vertikal betrachtet als auch horizontal betrachtet so gut, dass während des Auslegens der Keimplatten und während des Anschmelzens der Keimplatten entstehende Spalte zwischen unmittelbar benachbarten Keimplatten an jeder Stelle kleiner 1 mm, bevorzugter kleiner 0,1 mm und noch bevorzugter kleiner 0,01 mm sind. Durch diese vorgegebene Passgenauigkeit weist das erfindungsgemäße Silizium-Material insgesamt keine an Keimstößen entstehenden Zwillingskörner (Stoßzwillinge) auf. Der Tiegel wird dann weiter mit Silizium-Rohstoff unter Zugabe von wesentlich mehr Dotierstoff als für die Herstellung von Solarzellen erforderlich befüllt, d.h. z.B. für den o.g. Bereich des spezifischen Widerstandes von 0,001 Ωαη bis 0,2 Ωαη und die Verwendung eines oder mehrerer bereits geeignet dotierten Keime wird eine große Menge an Dotierstoff zugegeben, die zu einer Anfangskonzentration in der Schmelze von ca. 1,2 * 1020 Atome/cm3 bis 1,0 * 1017 Atome/cm3 des Dotierstoffes Bor (B) bzw. ca. 7,4 * 1019 Atome/cm3 bis 3,1 * 1016 Atome/cm3 des Dotierstoffes Phosphor (P) führt. In this case, in particular a plurality of germ plates are arranged on the planar seed pad, the abutting surfaces or additionally at least one further surface are ground. In this case, the abutment surfaces of adjacent germination plates are ground at right angles so that, when using three or more germ plates, the width of the resulting column (viewed from above) is as small as possible. It is of equal importance that even during the melting of the germ plates no column arise. This means that even with a lateral (horizontal) view of the germ plate, the ground abutment surfaces have a right angle. After grinding, the ground surfaces (in particular the edge surfaces) have a roughness of Rz according to DIN 4762 of less than ΙΟΟμιη, more preferably less than ΙΟμιη and particularly preferably less than 5μιη and their angularity is considered both vertically and horizontally so good that gaps formed during the laying out of the germination plates and during the melting of the germination plates between immediately adjacent germinal plates are smaller than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm, and more preferably less than 0.01 mm, at each point. As a result of this predetermined accuracy of fit, the silicon material according to the invention as a whole has no twin grains (shock twins) which are formed on germ buds. The crucible is then further filled with silicon raw material with the addition of substantially more dopant than required for the production of solar cells, ie, for example for the above-mentioned range of resistivity from 0.001 to 0.2 and the use of one or more already suitably doped nuclei a large amount of dopant is added, resulting in an initial concentration in the melt of about 1.2 * 10 20 atoms / cm 3 to 1.0 * 10 17 atoms / cm 3 of the dopant boron (B) or about 7.4 * 10 19 atoms / cm 3 to 3.1 * 10 16 atoms / cm 3 of the dopant phosphorus (P) leads.
Zur gerichteten Erstarrung wird der befüllte Tiegel in einer technisch modifizierten Anlage zur gerichteten Erstarrung von Silizium platziert, insbesondere einer VGF- Anlage. For directed solidification, the filled crucible is placed in a technically modified system for directional solidification of silicon, in particular a VGF plant.
Anschließend erfolgt ein Aufschmelzen der Rohstoffe, Anschmelzen des Keims oder der Keime ohne Tastung der Phasengrenze, gefolgt von einer gerichteten Erstarrung des flüssigen Siliziums zur Ausbildung eines Ingots. This is followed by melting of the raw materials, melting of the germ or germs without keying the phase boundary, followed by a directional solidification of the liquid silicon to form an ingot.
Nach Abkühlen, Entnahme und Entformung des Ingots kann das Abschneiden des Ingotbodens vom Ingot zur bevorzugten Wiederverwendung als Keimmaterial folgen. Die Schnittqualität gestattet dabei, an beiden gegenüberliegenden Schnittflächen ggf. multikristalline Randbereiche visuell zu erkennen und ggf. von der Keimplatte abzutrennen. Anschließend kann das Abschneiden der Mantelschicht vom Ingot in einer vorbestimmten Dicke oder einer Dicke, wie sie an der Schnittfläche visuell als nicht monokristallin erkennbar ist, erfolgen. Anschließend kann ein Zerteilen des verbliebenen Ingots in Scheiben entsprechend der gewünschten Dicke erfolgen, um daraus Blanks für hochohmige optische Bauteile oder Blanks zur Verwendung für hochohmige Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads, fertigen zu können. Ggf. kann eine Oberflächenbearbeitung der Scheibenflächen zur besseren Gewährleistung der visuellen Unterscheidbarkeit multikristalliner und quasimonokristalliner Bereiche der bearbeiteten Flächen sowie Markierung des quasimonokristallinen Oberflächenbereichs erfolgen. Anschließend kann der markierte quasimonokristalline Oberflächenbereich(Prüfoberfläche) an der Scheibe oder an dem Ingot auf das Vorhandensein und den Ort von detektierten Fremdkörnern bzw. von detektierten Zwillingsgrenzen geprüft werden. After cooling, removal and demolding of the ingot, the cutting of the ingot soil from the ingot can be followed for preferential reuse as seed material. The quality of the cut makes it possible, if necessary, to visually recognize multicrystalline edge regions on both opposite cut surfaces and, if appropriate, separate them from the germplate. Subsequently, the cutting off of the cladding layer from the ingot can take place in a predetermined thickness or a thickness which is visually recognizable as non-monocrystalline at the cut surface. Subsequently, the remaining ingot can be cut into slices corresponding to the desired thickness in order to be able to produce blanks for high-resistance optical components or blanks for use in high-impedance functional components in systems for semiconductor processing, in particular for showerheads. Possibly. For example, a surface treatment of the wafer surfaces may be carried out to better ensure the visual distinctness of multicrystalline and quasi-monocrystalline regions of the processed surfaces and to mark the quasi-monocrystalline surface region. Subsequently, the marked quasi-monocrystalline surface region (test surface) on the disk or on the ingot can be checked for the presence and the location of detected foreign grains or detected twin boundaries.
Die Prüfung eines ausgewählten quasimonokristallinen Oberflächenbereiches(Prüf- oberfläche) der Scheibe kann mittels eines von drei bevorzugten elektrischen Verfahren zur Quantifizierung des Gehalts dieser Prüfoberfläche an Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen erfolgen. Dabei wird detektiert, ob und an welchem Ort auf der Prüfoberfläche Pixel mit Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen vorliegen. Anschließend erfolgt eine Bestimmung des prozentualen Anteils mit Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen behafteter Pixel an der Prüfoberfläche, sowie eine Festlegung von einer oder mehreren neuen Prüfoberflächen der Scheibe, die hinsichtlich ihrer Bewertung bezüglich des prozentualen Anteiles an Clustern von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, hinsichtlich ihres Gehaltes an Fremdkörnern und hinsichtlich ihres Gehaltes an Zwillingsgrenzen den Geometrie- und Spezifikationsanforderungen an ein oder mehrere Blanks entsprechen. Anschließend kann ein Heraustrennen der neuen Prüfoberfläche erfolgen, die identisch der Oberfläche des Blanks ist. Examination of a selected quasi-monocrystalline surface area (test surface) of the disk can be made by one of three preferred electrical methods for quantifying the content of this test surface to clusters of dislocations or small angle grain boundaries. In the process, it is detected whether and at which location on the test surface pixels with clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are present. Subsequently, a determination is made of the percentage of clusters of dislocations or small-angle grain boundaries of adhered pixels on the test surface, as well as a specification of one or more new test surfaces of the disk, in terms of their content with respect to the percentage of clusters of dislocations or small angle grain boundaries Foreign grains and, in terms of their content of twin boundaries, the geometry and specification requirements for one or more blanks. Subsequently, a separation of the new test surface can be made, which is identical to the surface of the blank.
Quasimonokristallines Material im Sinne dieser Erfindung enthält eine mittlere Konzentration von isolierten Versetzungen zwischen 102 cm"2 und 106 cm"2, typischerweise zwischen 103 cm" 2 und 105 cm"2 . Hierin unterscheidet sich das erfindungsgemäße quasimonokristalline Silizium-Material vom herkömmlichen monokristallinen Silizium, hergestellt z.B. mit dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren mit dem Verwendungsziel als Halbleiterwafer zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Dieser Verwendungszweck erfordert eine Konzentration isolierter Versetzungen von üblicherweise unter 102 cm"2 und ist typischerweise sogar ganz oder nahezu frei von Versetzungen. Allerdings kann auch monokristallines Silizium aus dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren sehr hohe Konzentrationen an Versetzungen aufweisen, falls es beim Kristallisationsprozess zu Störungen kommt. Solches Material ist aber untypisch und vor allem wegen der damit dann verbundenen sehr hohen mechanischen Spannungen auch schwer zu bearbeiten (Czochralski und Floating Zone Kristalle mit lokal hohen Versetzungsdichten reißen leicht). Quasi monocrystalline material purposes of this invention contains an average concentration of isolated dislocations of between 10 2 cm "2 to 10 6 cm" 2, typically between 10 3 cm "2 and 10 5 cm" 2. Here, the quasi-monocrystalline silicon material according to the invention differs from the conventional monocrystalline silicon, produced for example with the Czochralski or the floating zone process with the target of use as a semiconductor wafer for the production of microelectronic components. This use requires a concentration of isolated dislocations usually below 10 2 cm -2 and is typically even wholly or nearly free of dislocations However, monocrystalline silicon from the Czochralski or the floating zone process can also have very high concentrations of dislocations, if it is However, such material is atypical and, in particular, because of the very high mechanical stresses associated therewith, also difficult to process (Czochralski and floating zone crystals with locally high dislocation densities tear easily).
Im Unterschied zum erfindungsgemäßen Verfahren weisen die in den Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung p-dotierter quasimonokristalliner Solarzellen verwendeten Keime einen im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen hochohmigen mono- bzw. quasimonokristallinen Siliziummaterial (spezifischer elektrischer Widerstand größer 5 Ωαη) vergleichsweise sehr hohen Widerstand (typisch 1 Ωαη bis 3 Ωαη bei B-Dotierung) auf. Im Gegensatz dazu müssen für die Herstellung von hochohmigen Si-Kristallen nach der vorliegenden Erfindung Keime verwendet werden, die einen niedrigeren, ja sogar deutlich niedrigeren Dotierungsgehalt aufweisen oder gar nicht dotiert sind. D.h. diese Keime weisen einen höheren bzw, sehr viel höheren Widerstand als im Stand der Technik auf. In contrast to the method according to the invention, the microorganisms used in the methods according to the prior art for the production of p-doped quasi-monocrystalline solar cells have a comparatively very high resistance compared to a high-resistance mono- or quasi-monocrystalline silicon material according to the invention (specific electrical resistance greater than 5 Ωαη). typically 1 Ωαη to 3 Ωαη at B-doping). In contrast, for the production of high-resistance Si crystals according to the present invention, it is necessary to use seeds which have a lower, or even significantly lower, doping content or are not doped at all. That These germs have a higher or much higher resistance than in the prior art.
Auch wird bei dem Verfahren nach Stand der Technik dem über dem(n) Keim(en) angeordneten Silizium-Rohstoff zusätzlich eine höhere bzw. viel höhere Menge an Dotierstoff Bor als in der vorliegenden Erfindung zugegeben. Diese höhere Dotierung ist für die Einstellung des spezifischen elektrischen Widerstands von in der Photovoltaik gebräuchlicher Ingots im Bereich von 1 Ωαη bis 3 Ωαη verantwortlich. Also, in the prior art method, a higher or much higher amount of dopant boron is additionally added to the silicon raw material disposed above the seed (s) than in the present invention. This higher doping is responsible for setting the specific electrical resistance of ingots commonly used in photovoltaics in the range from 1 Ωαη to 3 Ωαη.
FIGURENÜBERSICHT Detaillierter werden die vorgenannten Prozessschritte bei Verwendung der Methode der gerichteten Erstarrung zur Herstellung des quasimonokristallinen Siliziums wie folgt anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Die nachfolgenden Beschreibungen und Figuren beziehen sich auf das VGF- Verfahren als eines der Verfahren der gerichteten Erstarrung. Nach diesem Verfahren hergestelltes Silizium-Material wird als VGF-Mono-Silizium bezeichnet. Es zeigen: DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The aforementioned process steps using the directional solidification method for producing the quasi-monocrystalline silicon will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The following descriptions and figures refer to the VGF process as one of the methods of directional solidification. Silicon material produced by this process is referred to as VGF mono-silicon. Show it:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Si-Ingot der Größe Generation 4, der nach einem Kristallisationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, mit beispielhafter Verteilung des Materials in quasimonokristallin und multikristallin sowie einer möglichen Zerteilung beispielsweise horizontal herausschneidbarer Scheiben zur Gewinnung von Blanks für Figure 1 is a vertical section through a generation 4 Si ingot made by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in quasi-monocrystalline and multicrystalline and a possible division of, for example, horizontally excitable slices to obtain blanks for
Funktionsbauteile, z.B. die Verwendung der in der Figur angegebenen hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung; Fig. 2 einen weiteren Vertikalschnitt durch einen Si-Ingot der Größe Generation 5, der nach einem Kristallisationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, mit beispielhafter Verteilung des Materials in quasimonokristallin und multikristallin sowie einer möglichen Zerteilung beispielsweise horizontal herausschneidbarer Scheiben zur Gewinnung vonFunctional components, eg the use of the high-impedance optical components indicated in the figure or the high-resistance functional components for systems for semiconductor processing; Fig. 2 is another vertical section through a generation 5 Si ingot made by a crystallization process according to the present invention, with exemplary distribution of the material in quasi-monocrystalline and multicrystalline and a possible dicing of, for example, horizontally excisable slices for obtaining
Blanks für Funktionsbauteile, z.B. die Verwendung der in der Figur angegebenen hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung; Blanks for functional components, e.g. the use of the high-impedance optical components or high-impedance functional components for semiconductor processing plants indicated in the figure;
Fig. 3 eine photographische Aufnahme eines aus einem solchen Ingot in mittlerer  Fig. 3 is a photograph of one of such ingot in the middle
Höhe heraus geschnittenen Scheibe mit quasimonokristallinem Bereich A und multikristallinem Bereich B mit beispielhaft eingezeichneten Blanks für z.B. hochohmige optische Bauteile oder hochohmige Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung;  Height cut out slice with quasi-monocrystalline region A and multicrystalline region B with exemplarily blanks for e.g. high-resistance optical components or high-resistance functional components for semiconductor processing equipment;
Fig. 4a und 4b PL- (links) und μPCD-Aufnahmen (rechts) einer sägerauen Waferoberfläche von monokristallin- versetzungsfreiem Silizium-Material, das nach einem CZ- 4a and 4b show PL (left) and μPCD images (right) of a rough-cut wafer surface of monocrystalline dislocation-free silicon material, which after a CZ
Verfahren hergestellt wurde(ringförmige Strukturen sind sichtbar); Method was made (annular structures are visible);
Fig. 4c und 4d entsprechende PL- (links) und μPCD-Aufnahmen (rechts) einer sägerauen  Fig. 4c and 4d corresponding PL (left) and μPCD images (right) of a sawn
Waferoberfläche von versetzungsbehafteten quasimonokristallinen Silizium- Material, das nach einem VGF- Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde (keine ringförmigen Strukturen sichtbar, keine Cluster von Wafer surface of dislocation-containing quasi-monocrystalline silicon material prepared by a VGF method according to the present invention (no ring-shaped structures visible, no clusters of
Versetzungen, keine Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen); Dislocations, not foreign or twin);
Fig. 5a und 5b entsprechende PL- und μPCD-Aufnahmen einer sägerauen Waferoberfläche von quasimonokristallinen Silizium-Material, das einem bodennahen Bereich eines Ingots entstammt, der nach einem VGF- Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, worin Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen sichtbar sind;  Figures 5a and 5b show respective PL and μPCD images of a rough-sawn wafer surface of quasi-monocrystalline silicon material derived from a bottom-near region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of dislocations or small-angle grain boundaries are visible ;
Fig. 6a und 6b entsprechende PL- und μPCD-Aufnahmen einer sägerauen Waferoberfläche von quasimonokristallinen Silizium-Material, das einem deckelnahen Bereich eines Ingots entstammt, der nach einem VGF- Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, worin Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen mit höherem Flächenanteil als nach den Figuren 5 a und 5b sichtbar sind;  FIGS. 6a and 6b show respective PL and μPCD images of a rough-sawn wafer surface of quasi-monocrystalline silicon material originating from a capped region of an ingot made by a VGF process according to the present invention, wherein clusters of higher pitch or small angle grain boundaries Area fraction are visible as in Figures 5 a and 5b;
Fig. 7 eine μPCD-Aufnahme einer VGF-monokristallinen Prüfoberfläche aus dem  7 shows a μPCD image of a VGF monocrystalline test surface from the
Bereich A eines Ingots;  Area A of an ingot;
Fig. 8a die Anordnung eines Thermoelementes außermittig an der Unterseite einer Fig. 8a, the arrangement of a thermocouple off-center at the bottom of a
Tiegelaufstellplatte, auf der ein Tiegel steht, für ein beispielhaftes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bei Verwendung einer einstückig ausgebildeten Keimschicht;  Crucible mounting plate on which a crucible stands, for an exemplary method according to the present invention when using a one-piece seed layer;
Fig. 8b die Anordnung eines Thermoelementes außermittig an der Unterseite einer Fig. 8b, the arrangement of a thermocouple off-center on the underside of a
Tiegelaufstellplatte, auf der ein Tiegel steht, für ein beispielhaftes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bei Verwendung einer aus mehreren Keimplatten ausgebildeten Keimschicht, deren Kanten geschliffen und bearbeitet sind, und bei der die Spalte zwischen einzelnen Keimen nicht maßstäblich dargestellt sind; Fig. 9 einen beispielhaften Temperaturverlauf bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Crucible standing plate on which a crucible stands, for an exemplary method according to the present invention using a seed layer formed of a plurality of seed plates whose edges are ground and worked, and in which the gaps between individual seeds are not drawn to scale; 9 shows an exemplary temperature profile in a method according to the present invention.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION
Als Tiegel kann nach der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein vom Tiegelhersteller innenbeschichteter Ready-To-Use-Tiegel oder ein beim Anwender selbst beschichteter Tiegel (z.B. ein Quarz oder Quarzgut-Tiegel) oder ein Graphittiegel oder ein Si3N4-Tiegel eingesetzt werden. Die Tiegelgrundfläche richtet sich nach der Größe der darin herzustellenden hochohmigen optischen Bauteile oder der hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung. Es können quadratische Tiegel der Größe G4 (720 mm x 720 mm), G5 (880 mm x 880 mm), G6 (1050 mm x 1050 mm) oder derzeit noch nicht gebräuchliche noch größere Tiegel bis zu 3000 mm x 3000 mm, runde Tiegel eines Durchmessers größer 450 mm oder auch rechteckige Tiegel der minimalen Grundflächenkantenlänge von 450 mm bzw. maximalen Grundflächenkantenlänge von 3000 mm eingesetzt werden. Eine Tiegelhöhe unter 250 mm ist dabei genauso wenig sinnvoll wie eine Tiegelhöhe (ggf. inkl. Tiegelaufsatz) von größer 800 mm. Als sehr praktikabel haben sich Gesamttiegelhöhen von 450 mm, 550 mm, 650 mm, 780 mm oder dazwischen liegende Größen erwiesen. As a crucible according to the present invention, in principle, a ready-to-use crucible inside coated by the crucible manufacturer or a crucible coated by the user himself (eg a quartz or fused silica crucible) or a graphite crucible or a Si 3 N 4 crucible can be used. The crucible base area depends on the size of the high-resistance optical components to be produced therein or the high-resistance functional components for systems for semiconductor processing. It can have square crucibles of size G4 (720 mm x 720 mm), G5 (880 mm x 880 mm), G6 (1050 mm x 1050 mm) or currently not in use larger crucibles up to 3000 mm x 3000 mm, round crucibles a diameter greater than 450 mm or rectangular crucibles of minimum base surface edge length of 450 mm and maximum base edge length of 3000 mm are used. A crucible height below 250 mm is just as meaningless as a crucible height (possibly including crucible attachment) of greater than 800 mm. Total crucible heights of 450 mm, 550 mm, 650 mm, 780 mm or sizes in between have proved to be very practical.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 8a bis 9 zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines Si-Ingots gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Fig. 8a zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Tiegel 2 einer Anlage 1 zur Herstellung von Silizium- Ingots. Der Behälter 2, üblicherweise ein Quarztiegel, weist einen Boden 3, der sich senkrecht zur Längsrichtung 5 erstreckt, und zumindest eine Seitenwand 4 auf, die sich in Längsrichtung 5 erstreckt und umlaufend ausgebildet sein kann, insbesondere aus vier rechteckförmigen Flächen ausgebildet sein kann, die eine insgesamt rechteckförmige oder bevorzugt quadratische Grundfläche des Behälters 2 vorgeben. Der Boden 3 kann gemäß weiteren Ausführungsformen auch einen abweichenden Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen achteckigen, kreisförmigen oder ovalen Querschnitt. Hereinafter, a method for producing a Si ingot according to the present invention will first be described with reference to FIGS. 8a to 9. FIG. 8 a shows a schematic cross section through a crucible 2 of a plant 1 for the production of silicon ingots. The container 2, usually a quartz crucible, has a bottom 3, which extends perpendicular to the longitudinal direction 5, and at least one side wall 4, which extends in the longitudinal direction 5 and can be formed circumferentially, in particular of four rectangular surfaces can be formed specify an overall rectangular or preferably square base of the container 2. The bottom 3 may according to further embodiments also have a different cross section, for example, an octagonal, circular or oval cross-section.
Gemäß der Fig. 8a wird auf dem Boden 3 des Behälters 2 als Keimvorlage eine Keimschicht 10 aus Silizium angeordnet, die einstückig ausgebildet ist und den Boden 3 vollständig bedeckt. Die Keimschicht 10 weist vorzugsweise die gleichen Materialeigenschaften auf wie der Silizium-Ingot, der ausgebildet werden soll. Um Welligkeiten und Unebenheiten des Bodens 3 des Behälters 2 auszugleichen, die im herzustellenden Si-Ingot Versetzungen und andere Gitterfehler in unerwünscht hoher Anzahl und Konzentration herrufen könnten, ist auf dem Boden 3 eine ebene Keimunterlage 13 vorgesehen, von der zumindest die Oberseite eine ausreichende Planarität aufweist. Diese entspricht zumindest der Qualität nach einem üblichen Sägeschnitt, die Oberseite kann auch plan geschliffen sein. Auf diese Weise wird eine Orientierung der Keimschicht exakt senkrecht zur Mittelsenkrechten 5 auf den Boden 3 erzielt. According to FIG. 8a, a seed layer 10 made of silicon is arranged on the bottom 3 of the container 2 as a seed template, which is formed in one piece and completely covers the bottom 3. The seed layer 10 preferably has the same material properties as the silicon ingot to be formed. To compensate for ripples and bumps of the bottom 3 of the container 2, which could cause dislocations and other lattice defects in undesirable high number and concentration in the produced Si ingot, a planar seed pad 13 is provided on the bottom 3, of which at least the top of a sufficient planarity having. This corresponds at least to the quality of a standard saw cut, the top can also be ground flat. In this way, an orientation of the seed layer is achieved exactly perpendicular to the perpendicular bisector 5 on the bottom 3.
Der Behälter 2 ist gemäß der Fig. 8a auf einer Tiegelaufstellplatte 14 aus einem gut wärmeleitenden Material, bevorzugt aus Graphit. Diese lässt, wie auch die darunter befindliche Kühlplatte 15, Wärme des darunter befindlichen mäanderförmigen Bodenheizers 17 sehr gut durch, um den Boden 3 zu heizen. Die Tiegelaufstellplatte 14 ist für eine exakt vertikale Anordnung des Behälters 2 ausgelegt. Mittels der Kühlplatte 15, die von einem Gas als Kühlmedium durchströmt werden kann, lässt sich eine vorbestimmte Kühlleistung zum Kühlen des Bodens 3 einstellen. Gemäß der Fig. 8a ist in der Kühlplatte 15 außermittig ein Thermoelement 16 mit einem Schutzrohr vorgesehen, um die Temperatur während des gerichteten Erstarrens zu überwachen. Eine aufwändige und störende Überwachung der Temperatur mittels eines in die Si-Schmelze eintauchenden Messrohrs kann somit erfindungsgemäß nicht entfallen. Genauer gesagt, ist das Thermoelement 15 in einer radialen Entfernung vom Zentrum des Bodens 3 angeordnet, die der Hälfte des Durchmessers des Behälters 2, sofern dieser rund ausgebildet ist, oder die der Hälfte einer Kantenlänge des Behälters 2 entspricht, sofern dieser eine quadratische Grundfläche aufweist, insbesondere mit einer Toleranz von +30mm und -100mm. Wie nachfolgend anhand der Fig. 9 näher erläutert, wird bei dem Verfahren auf das Temperatursignal des Thermoelements 15 gesteuert. The container 2 is shown in FIG. 8a on a crucible setting plate 14 made of a good heat-conducting material, preferably of graphite. This leaves, as well as the underneath located cooling plate 15, heat of the underlying meandering bottom heater 17 very well through to heat the bottom 3. The crucible mounting plate 14 is designed for an exactly vertical arrangement of the container 2. By means of the cooling plate 15, which can be traversed by a gas as the cooling medium, a predetermined cooling power for cooling the bottom 3 can be set. Referring to Figure 8a, a thermocouple 16 having a protective tube is provided off-center in the cooling plate 15 to monitor the temperature during directional solidification. An elaborate and disturbing monitoring of the temperature by means of a measuring tube immersed in the Si melt can thus not be dispensed with according to the invention. More specifically, the thermocouple 15 is arranged at a radial distance from the center of the bottom 3, which corresponds to half the diameter of the container 2, if this is round, or half of an edge length of the container 2, if this has a square base , in particular with a tolerance of + 30mm and -100mm. As explained in more detail below with reference to FIG. 9, in the method, the temperature signal of the thermocouple 15 is controlled.
Die Fig. 8b zeigt in einem schematischen Querschnitt durch einen Tiegel eine alternative Ausführungsform zur Herstellung von Silizium-Ingots, bei der eine Keimschicht verwendet wird, die aus einer Mehrzahl von Keimplatten 11 ausgebildet ist, deren Kanten bzw. Stöße unter Ausbildung von möglichst schmalen Spalten 12 unmittelbar aneinander anliegen und den Boden 3 des Behälters 2 vollständig bedecken. Die Keimplatten 11 weisen nicht zwingend einen einheitlichen Querschnitt auf, insbesondere einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt, sodass der Boden 3 vollständig bedeckt werden kann. Die Keimplatten 11 können in einer spiegelsymmetrischen Anordnung bezüglich einer sich senkrecht zum Boden 3 des Behälters 2 erstreckenden Mittelebene (nicht dargestellt) angeordnet sein. Die Form der Keimplatten 11 können auch in anderer Weise geeignet auf die Form des Bodens 3 abgestimmt sein. Die Dicken der Keimplatten 11 sind nicht zwingend jeweils gleich, sodass eine im Wesentlichen plane Oberfläche der Keimschicht ausgebildet wird, jedoch sind die Unterseite und die Kanten derart bearbeitet, dass sämtliche Spalte zwischen den Keimen an jeder Stelle extrem gering sind. FIG. 8b shows, in a schematic cross-section through a crucible, an alternative embodiment for the production of silicon ingots, in which a seed layer is used, which is formed from a plurality of seed plates 11 whose edges or joints form as narrow gaps as possible 12 directly abut each other and completely cover the bottom 3 of the container 2. The germ plates 11 do not necessarily have a uniform cross section, in particular a rectangular or square cross section, so that the bottom 3 can be completely covered. The germ plates 11 may be arranged in a mirror-symmetrical arrangement with respect to a center plane (not shown) extending perpendicularly to the bottom 3 of the container 2. The shape of the germ plates 11 may also be suitably adapted to the shape of the bottom 3 in other ways. The thicknesses of the seed plates 11 are not necessarily the same, so that a substantially planar surface of the seed layer is formed, however, the bottom and the edges are processed so that all gaps between the germs at each point are extremely low.
Um ein Verkippen der Keimplatten 11 zu verhindern, was im herzustellenden Si-Ingot Versetzungen und andere Gitterfehler in unerwünscht hoher Anzahl und Konzentration herrufen könnten, ist in diesem Fall auf dem Boden 3 eine ebene Keimunterlage 13 vorgesehen, von der zumindest die Oberseite eine ausreichende Planarität aufweist. Diese entspricht zumindest der Qualität nach einem üblichen Sägeschnitt, die Oberseite kann auch plan geschliffen sein. Die Keimplatten 11 können somit mit exakt einheitlicher Orientierung am Boden 3 des Behälters 2 angeordnet werden. In order to prevent tilting of the germ plates 11, which could cause displacements and other lattice defects in undesirably high numbers and concentrations in the Si ingot to be produced, a planar seed pad 13 is provided in this case on the bottom 3, of which at least the upper side has sufficient planarity having. This corresponds at least to the quality of a standard saw cut, the top can also be ground flat. The germ plates 11 can thus be arranged with exactly uniform orientation on the bottom 3 of the container 2.
Um ein Verkippen der Keimplatten 11 und die Ausbildung von unnötig breiten Spalten 12 zwischen diesen zu verhindern, sind die Flächen der Keimplatten 11 bevorzugt komplett oder teilweise geschliffen. Die Rauigkeit Rz gemäß DIN 4762 sollte dabei kleiner als ΙΟΟμιη, bevorzugter kleiner als ΙΟμιη und besonders bevorzugt kleiner als 5μιη sein. Bei Verwendung von mehreren Keimplatten in der Keimschicht ist der Abstand zwischen den einzelnen Keimplatten bevorzugt klein, unabhängig ob dieser durch kippeln der Keimplatten oder durch nicht planparallele Kanten verursacht wird. Dieser Abstand ist kleiner 1 mm, bevorzugter kleiner als 0,1 mm und noch bevorzugter kleiner als 0,01 mm, sodass entstehende Spalte 12 zwischen unmittelbar benachbarten Keimplatten 11 an jeder Stelle von dieser Größenordnung sind. In order to prevent tilting of the germ plates 11 and the formation of unnecessarily wide gaps 12 between them, the surfaces of the germ plates 11 are preferably completely or partially ground. The roughness Rz in accordance with DIN 4762 should be less than ΙΟΟμιη, more preferably less than ΙΟμιη and more preferably less than 5μιη. When using multiple seed plates in the seed layer is the distance between the individual Germplates preferably small, regardless of whether this is caused by tilting of the germ plates or non-plane-parallel edges. This distance is less than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm and more preferably less than 0.01 mm, so that resulting gaps 12 between immediately adjacent seed plates 11 at any point are of this order of magnitude.
Nach der Anordnung der vorstehend beschriebenen Keimschicht 10, 12 am Boden 3 des Behälters 2 wird eine Silizium-Schmelze 6 im Behälter 2 bereitgestellt. Hierzu kann stückiges Silizium in den Behälter 2 eingebracht und aufgeschmolzen werden, beispielsweise wie in der EP 2028292 A2 der Anmelderin offenbart. Die Silizium-Schmelze 6 kann auch zunächst in einem anderen Behälter (nicht dargestellt) bereitgestellt und in flüssiger Form in den Behälter 2 umgefüllt werden. Die Prozessführung erfolgt dabei so, dass die als Keimvorlage wirkende Keimschicht 10, 12 lediglich angeschmolzen wird, also nur teilweise nicht jedoch vollständig aufgeschmolzen wird. Anschließend wird die Silizium-Schmelze 6 in an sich bekannter Weise gerichtet erstarrt. After the arrangement of the above-described seed layer 10, 12 at the bottom 3 of the container 2, a silicon melt 6 is provided in the container 2. For this purpose, lumped silicon can be introduced into the container 2 and melted, for example as disclosed in the applicant's EP 2028292 A2. The silicon melt 6 can also initially be provided in another container (not shown) and transferred into the container 2 in liquid form. The process is carried out in such a way that the seed layer 10, 12, which acts as a seed receiver, is merely melted on, that is to say only partially but not completely melted. Subsequently, the silicon melt 6 is directionally solidified in a conventional manner.
Nach dem Erstarren der Silizium-Schmelze 6 zu einem Silizium-Ingot wird dieser aus dem Behälter 2 entnommen und weiter verarbeitet. Dazu wird dieser geeignet besäumt, beispielsweise durch Schnitte entlang der Längsrichtung 5 des Silizium-Ingots. Weiterhin wird ein Boden und eine Kappe des Silizium-Ingots durch Schnitte senkrecht zur Längsrichtung 5 des Silizium-Ingots entfernt. Je nach den Prozessbedingungen kann ein Teil des herausgearbeiteten Kerns des Silizium-Ingots an der Peripherie nicht die gewünschten Materialeigenschaften aufweisen. Als Keim ist ein nahezu die gesamte innere Grundfläche des Tiegels ausfüllender Flächenkeim besonders sinnvoll. Dieser kann durch einen Bodenschnitt aus einem vorhergehenden Ingot gewonnen werden. Der Keim bzw. die Keimschicht sollte aus Effektivitätsgründen nicht unnötig dick, aber auch nicht zu dünn sein, damit nicht die Gefahr besteht, dass er in der späteren Ankeimphase komplett aufschmilzt. Als brauchbar haben sich Keimdicken von 15 mm, 30 mm, 45 mm, 50 mm, 70 mm, 80 mm oder Zwischengrößen erwiesen, wobei 40 mm oder 45 mm bevorzugt sind. After solidification of the silicon melt 6 to a silicon ingot it is removed from the container 2 and further processed. For this purpose, this is suitably trimmed, for example by cuts along the longitudinal direction 5 of the silicon ingot. Furthermore, a bottom and a cap of the silicon ingot are removed by cuts perpendicular to the longitudinal direction 5 of the silicon ingot. Depending on the process conditions, a portion of the machined core of the silicon ingot on the periphery may not have the desired material properties. As a germ, a surface germ filling almost the entire inner surface of the crucible is particularly useful. This can be obtained by a bottom cut from a previous ingot. For reasons of effectiveness, the germ or the germ layer should not be unnecessarily thick, but also not too thin, so that there is no danger of it completely melting in the later germination phase. Seed thicknesses of 15 mm, 30 mm, 45 mm, 50 mm, 70 mm, 80 mm or intermediate sizes have proven useful, with 40 mm or 45 mm being preferred.
Für die Herstellung von hochohmigen optischen Bauteilen oder hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung ist die Orientierung der Keime von eher untergeordneter Bedeutung. Die in der Photo voltaik erwünschte (lOO)-Orientierung der Keime ist für die Herstellung von hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung zwar nicht zwingend, aber aus züchtungstechnischen Überlegungen heraus die bevorzugte Keimorientierung. Je nach Zielstellung kann jedoch auch basierend auf (111)-, (HO)-, (211)- oder noch anders orientierten Keimen gezüchtet werden. For the production of high-impedance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing, the orientation of the microbes is rather of secondary importance. Although the (100) orientation of the microorganisms desired in photovoltaics is not mandatory for the production of high-resistance optical components or high-resistance components for functional components in semiconductor processing plants, it is the preferred microbial orientation for breeding-related considerations. Depending on the objective, however, it can also be bred based on (111), (HO), (211) - or even differently oriented germs.
Der weiter oben erwähnte und bevorzugte Flächenkeim stellt jedoch keine Begrenzung der Keimverwendungsmöglichkeiten dar. Wenn der Tiegelboden aus kleineren Keimen vollflächig oder bis auf einen kleinen Randbereich vollflächig ausgelegt werden soll, empfiehlt es sich, die einzelnen Keime möglichst ohne Fugen aneinander stoßen zu lassen und auch keine Lücken zuzulassen. Keime können aus Teilen eines Flächenkeimes, einem runden nach einem CZ- Verfahren hergestellten Kristall in der oben angegebenen Keimdicke quadratisch herausgearbeitet werden. Keime können auch aus Längsschnitten der gewünschten oben genannten Dicke aus einem nach einem CZ- Verfahren hergestellten Kristall gewonnen werden. Keime können auch aus senkrecht aus einem zuvor keimbasiert gerichtet erstarrten Ingot als senkrechte Bretter bzw. Barren in der gewünschten oben genannten Dicke herausgeschnitten werden. However, the above-mentioned and preferred area germ does not limit the use of germs. If the bottom of the crucible of smaller germs over the entire surface or to a small edge area is to be designed over the entire surface, it is recommended that the individual germs as possible without joints abut each other and also to leave no gaps. Germs can be worked out quadratically from parts of a surface germ, a round crystal produced according to a CZ method, in the above seed thickness. Germs may also be obtained from longitudinal sections of the desired thickness mentioned above from a crystal made by a CZ method. Germs can also be cut out vertically from a previously ingame-based directionally solidified ingot as vertical boards or ingots in the desired thickness mentioned above.
Wichtig ist für alle Arten der Keimgewinnung, dass bereits der Keim eine hohe Reinheit und geringe bis gar keine Dotierung aufweist. Bei Kenntnis der Keimqualität wird die Zugabemenge an Dotierstoff zum reinen Si-Rohstoff so gewählt, dass der Zielwert für den spezifischen Widerstand innerhalb des gewünschten Bereiches von größer als 5 Ωαη erreicht wird. Nach Platzierung der Keime wird also das verbleibende Tiegelvolumen noch mit virgin oder recyceltem Si-Rohstoff (mindestens in der Reinheit Solar Grade) und ggf. Dotierstoff aufgefüllt. Bei der Befüllung des Tiegels oder des mit einem Tiegelaufsatz versehenen Tiegels wird die sich ergebende Gesamthöhe möglichst ausgenutzt. Eine Befüllhöhe unter 250 mm ist dabei genauso wenig sinnvoll wie eine Befüllhöhe (ggf. inkl. Tiegelaufsatz) von größer 800 mm. Als sehr praktikabel haben sich Gesamttiegelhöhen von 350 mm, 450 mm, 550 mm, 650 mm und 780 mm oder Zwischengrößen erwiesen. It is important for all types of seed production that the seed already has a high purity and little or no doping. With knowledge of the germ quality, the addition amount of dopant to the pure Si raw material is chosen so that the target value for the resistivity within the desired range of greater than 5 Ωαη is achieved. After placement of the germs so the remaining crucible volume is still filled with virgin or recycled Si raw material (at least in the purity solar grade) and possibly dopant. When filling the crucible or provided with a crucible top crucible, the resulting total height is used as possible. A filling height of less than 250 mm is just as meaningless as a filling height (possibly including crucible attachment) of more than 800 mm. Total crucible heights of 350 mm, 450 mm, 550 mm, 650 mm and 780 mm or intermediate sizes have proved to be very practical.
Um in den gewünschten Bereich des spezifischen elektrischen Widerstandes von größer 5 Ωαη zu erhalten, darf die Konzentration an freien Ladungsträgern bzgl. Akzeptoren, gebildet als Differenz der Akzeptorenkonzentration minus der Donatorenkonzentration, eine Konzentration von 2,7 * 1015/cm3 bzw. bzgl. Donatoren, gebildet als Differenz der Donatorenkonzentration minus der Akzeptorenkonzentration, eine Konzentration von 9,05 * 1014/cm3 nicht überschreiten. Für höhere spezifische elektrische Widerstände sind die zulässigen Konzentrationen entsprechend geringer. Um diese Bedingung erfüllen zu können, sind besondere Maßnahmen notwendig. Dies erreicht man beispielsweise durch eine oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Maßnahmen: In order to obtain in the desired range of the electrical resistivity greater than 5 Ωαη, the concentration of free charge carriers with respect to acceptors, formed as the difference of the acceptor concentration minus the donor concentration, a concentration of 2.7 * 10 15 / cm 3 or Donors, formed as the difference of the donor concentration minus the acceptor concentration, should not exceed a concentration of 9.05 * 10 14 / cm 3 . For higher specific electrical resistances, the permissible concentrations are correspondingly lower. In order to fulfill this condition, special measures are necessary. This can be achieved, for example, by one or more of the following measures:
die Kompensation der eingebrachten Verunreinigungen mit Akzeptoren wie z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder mit Donatoren wie z.B. Phosphor, Arsen, Antimon oder mit Kombinationen verschiedener Akzeptoren und Donatoren je nach Art der Verunreinigung;  the compensation of the introduced impurities with acceptors such. Boron, aluminum, gallium or donors, e.g. Phosphorus, arsenic, antimony or combinations of different acceptors and donors depending on the nature of the impurity;
den Einsatz von besonders reinem Tiegelbeschichtungsmaterial als einer Verunreinigungsquelle in Bezug auf Akzeptoren bzw. Donatoren, z.B. Einsatz von Si3N4-Tiegelbeschichtungsmaterial mit einem Borgehalt kleiner 5 ppm (bevorzugt kleiner 1 ppm), einem Aluminiumgehalt kleiner 100 ppm (bevorzugt kleiner 20 ppm), einem Phosphorgehalt kleiner 4 ppm (bevorzugt kleiner 0,8 ppm); the use of particularly pure crucible coating material as an impurity source with respect to acceptors or donors, eg use of Si 3 N 4 crucible coating material with a boron content of less than 5 ppm (preferably less than 1 ppm), an aluminum content of less than 100 ppm (preferably less than 20 ppm) a phosphorus content of less than 4 ppm (preferably less than 0.8 ppm);
- den Einsatz besonders reiner Tiegel als einer weiteren Verunreinigungsquelle in Bezug auf Akzeptoren bzw. Donatoren, z.B. Quarztiegel mit einem Borgehalt kleiner 0,1 ppm (bevorzugt kleiner 0,04 ppm), einem Aluminiumgehalt kleiner 160 ppm (bevorzugt kleiner 15 ppm), einem Phosphorgehalt kleiner 2 ppm (bevorzugt kleiner 0,1 ppm); die insitu Beprobung der Schmelze und gezielte Kompensation mit den fehlenden Akzeptoren (z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder Kombinationen von verschiedenen Akzeptoren) oder Donatoren (z.B. Phosphor, Arsen oder Kombinationen verschiedener Donatoren); the use of particularly pure crucibles as a further source of contamination with respect to acceptors or donors, eg quartz crucibles having a boron content of less than 0.1 ppm (preferably less than 0.04 ppm), an aluminum content of less than 160 ppm (preferably less than 15 ppm) Phosphorus content less than 2 ppm (preferably less than 0.1 ppm); the in situ sampling of the melt and targeted compensation with the missing acceptors (eg boron, aluminum, gallium or combinations of different acceptors) or donors (eg phosphorus, arsenic or combinations of different donors);
- die Wahl eines Züchtungsverlaufes der kurz genug ist, um die Diffusion der - the choice of a breeding course that is short enough to the diffusion of the
Fremdstoffe in die Schmelze sehr viel kleiner als 1 x 1015/cm3 zu halten; To keep foreign matter in the melt much smaller than 1 x 10 15 / cm 3 ;
- die Höhe der schmelzflüssigen Phase während des Prozesses über z.B. eine Nachchargierung so gering zu halten das der Eintrag von Verunreinigungen aus der Beschichtung in die Schmelze sehr viel kleiner als 1 x 1015/cm3 bleibt; - To keep the height of the molten phase during the process over, for example, a Nachchargierung so small that the entry of impurities from the coating in the melt remains much smaller than 1 x 10 15 / cm 3 ;
- dem Einsatz einer Diffusionsbarriere für Akzeptoren bzw. Donatoren aus sehr reinem - The use of a diffusion barrier for acceptors or donors from very pure
Material zwischen Tiegel und Schmelze nach dem Prinzip der DE 10 2012 100 147 AI, deren Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme mit beinhaltet sei; dem Einsatz einer kalten Tiegelwand zur Erzeugung eines Eigenmaterialtiegels wie es das Skull Melting Verfahren bzw. Electromagnetic Casting Verfahren verwendet; - dem Einsatz hochreiner Tiegel aus SiC oder S13N4 die eine Beschichtung mitMaterial between crucible and melt according to the principle of DE 10 2012 100 147 AI, the content of which is hereby expressly incorporated by reference; the use of a cold crucible wall to create a bulk material crucible as used in the skull melting process; - The use of high purity crucible made of SiC or S13N4 the one coating with
Materialien die als Verunreinigungsquelle dienen können unnötig macht Materials that serve as a source of pollution can be unnecessary
Der befüllte Tiegel wird danach in eine Kristallzuchtanlage des Bridgman-Typs oder in eine VGF-Anlage eingebracht. Letztere ist je nach Anlagentyp mit verschiedenen Heizerkonfigurationen ausgestattet. Gebräuchlich sind Anlagen mit lediglich Deckenheizer, Anlagen mit Decken- und Bodenheizer, Anlagen nur mit Mantelheizern, Anlagen mit Decken- und Mantelheizern oder auch Anlagen mit Decken-, Mantel- und Bodenheizer. Erfindungsgemäß wird der Rohstoff von oben her aufgeschmolzen. Durch eine geeignete Temperaturführung der Heizer bei gleichzeitiger Kühlung der Keimschicht wird sowohl dafür gesorgt, dass der zugegebene Rohstoff komplett aufgeschmolzen wird, der oder die Keime jedoch keinesfalls komplett aufgeschmolzen, aber zwingend angeschmolzen werden. The filled crucible is then placed in a Bridgman-type crystal growing facility or in a VGF facility. The latter is equipped with different heater configurations depending on the system type. Commonly used are systems with only ceiling heaters, systems with ceiling and floor heaters, systems only with jacket heaters, systems with ceiling and jacket heaters or systems with ceiling, jacket and bottom heaters. According to the invention, the raw material is melted from above. By a suitable temperature control of the heater with simultaneous cooling of the seed layer is ensured both that the added raw material is completely melted, the germ or the germs are not completely melted, but necessarily melted.
Um das Anschmelzen der Keimschicht verständlich darstellen zu können, wird jeder einzelne Flächenanteil der Keimschicht mit einer Größe von etwa 1 cm2defmiert. Jeder dieser einzelnen Flächenanteile soll bis zu einer bestimmten Höhe über Tiegelboden angeschmolzen werden. Diese Höhenkoordinate, bis zu der das Anschmelzen eines jeden Flächenanteiles erfolgt, liegt im Bereich von 20% bis 90% der Dicke der eingelegten Keimschicht. Je nach Tiegelgröße, Anlagentyp und Keimdicke werden Bereiche gefunden, die bevorzugt sind. Beispielsweise sind bei einer Keimdicke von 40 mm ein Bereich der Höhenkoordinate von 35% bis 75% der ursprünglichen Keimdicke oder bei einer Keimdicke von 45 mm ein Bereich der Höhenkoordinate von30%> bis 80%> der ursprünglichen Keimdicke bevorzugt. Durch eine geeignete Temperatur-/Zeitführung der Heizer wird erreicht, dass sich im Inneren des Tiegels eine horizontale Phasengrenze in einer Ebenheit ausbildet, die es gestattet, ohne ein Tasten zur Bestimmung der Lage der Phasengrenze die Keimschicht anzuschmelzen. Vorteilhaft wird die Messung der Temperatur nicht im Symmetriezentrum an der Unterseite der Platte vorgenommen, die als Tiegelaufstellplatte bezeichnet wird. Die Messung der Temperatur wird vorgenommen, indem ein Thermoelement in der Tiegelaufstellplatte aus Graphit in einer radialen Entfernung vom Zentrum des Tiegelboden angeordnet wird, die der Hälfte der Kantenlänge bzw. des Durchmessers des Tiegels entspricht, Der Messort kann innerhalb eines Ringes liegen der durch eine positive Toleranzabweichung von 30mm und einer negativen Toleranzabweichung von 100mm eines Radiusbereiches liegen, der nominal der Hälfte der Tiegelkantenlänge entspricht. Die Messung erfolgt also, wie es die Figuren 8a bzw. 8b zeigen, an einer Stelle weiter außen, die sich nahe der Tiegelkante befindet und durch diese Lage repräsentative und genaue Messergebnisse liefert, um ein komplettes Aufschmelzen der Keimschicht in Tiegelwandnähe zu verhindern. Diese Gefahr ist dadurch gegeben, dass durch eine Keimkühlung das System dazu neigt, Wärmeflüsse in Richtung Zentrum auszubilden, so dass die Temperatur im Keimschichtzentrum kälter als am Rand der Keimschicht ist. Wichtige Parameter sind Kühlleistung und Geometrie der Kühlungsanordnung. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich eine ebene Phasengrenze einstellt. Die Geometrie oder vielmehr die gekühlte Fläche muss ungefähr der Fläche des Tiegels entsprechen. Die Position der Temperaturmessstelle muss also so gewählt werden, dass sie den Randbereich unter dem Keim erfasst, jedoch nicht von der Kühlung verfälscht wird. Wenn das Anschmelzen der Keimschicht abgeschlossen ist, wird durch Erhöhung der Wärmeabfuhr durch die Tiegelaufstellplatte hindurch das weitere Schmelzen des Keimes gestoppt und die gerichtete Erstarrung eingeleitet. In order to be able to represent the melting of the seed layer in an understandable manner, each individual area fraction of the seed layer is defined with a size of approximately 1 cm 2 . Each of these individual surface portions should be melted above a crucible bottom up to a certain height. This height coordinate, up to which the melting of each area fraction takes place, is in the range of 20% to 90% of the thickness of the inserted seed layer. Depending on the size of the pot, the type of plant and the seed thickness, areas are found that are preferred. For example, with a seed thickness of 40 mm, an area of the height coordinate of 35% to 75% of the original seed thickness or, with a seed thickness of 45 mm, a range of the height coordinate of 30%> to 80%> of the original seed thickness is preferred. By means of a suitable temperature / time control of the heaters, it is achieved that a horizontal phase boundary forms in the flatness in the interior of the crucible, which makes it possible to melt the seed layer without a key for determining the position of the phase boundary. Advantageously, the measurement of the temperature is not made in the center of symmetry on the underside of the plate, which is referred to as a crucible mounting plate. The measurement of the temperature is made by placing a thermocouple in the graphite crucible setting plate at a radial distance from the center of the crucible bottom which is half the edge length or diameter of the crucible. The location of measurement may be within a ring defined by a positive Tolerance deviation of 30mm and a negative Tolerance deviation of 100mm of a radius range, which corresponds nominally half of the crucible edge length. The measurement thus takes place, as shown in FIGS. 8a and 8b, at a point further out which is close to the edge of the crucible and provides representative and accurate measurement results by this layer in order to prevent complete melting of the seed layer near the crucible wall. This danger is due to the fact that the system tends to form heat flows in the direction of the center by means of germ cooling, so that the temperature in the seed layer center is colder than at the edge of the seed layer. Important parameters are cooling capacity and geometry of the cooling arrangement. The cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures so that a flat phase boundary is established. The geometry, or rather the cooled surface, must be approximately equal to the area of the crucible. The position of the temperature measuring point must therefore be chosen so that it detects the edge area under the germ, but is not distorted by the cooling. When the melting of the seed layer is completed, by further increasing the heat dissipation through the crucible mounting plate, further melting of the seed is stopped and directional solidification is initiated.
Wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, erfolgt das Anschmelzen der Keimschicht, ohne die Lage der Phasengrenze mechanisch anzutasten. Es wird stattdessen so vorgegangen, dass in einer definierten Entfernung vom Symmetriezentrum des Tiegelbodens, konkret an der Peripherie der Tiegelaufstellplatte aus gut wärmeleitendem Graphit, mittels Pyrometer oder Thermoelement an dieser Stelle die Temperatur der Unterseite der Tiegelaufstellplatte gemessen wird. Die Fig. 9 zeigt hierzu einen typischen zeitlichen Verlauf des Temperaturprofils, wie es von dem in den Figuren 8a und 8b dargestellten Thermoelement 16 gemessen wird. Es wird ein Bodenheizer verwendet (vgl. Bezugszeichen 17 in den Figuren 8a und 8b), der von Beginn des Aufheizens des Siliziums bis zum Erreichen der Aufschmelztemperatur des Siliziums in Betrieb ist. Die Abschaltung des Bodenheizers erfolgt bei Erreichen der Schmelztemperatur des Siliziums zum Zeitpunkt ti in der Fig. 9 und es erfolgt ein gleichzeitiges Zuschalten eines Bodenkühlers mit einer Kühlleistung von maximal lW/cm2, wobei maximal 0,65W/cm2 bevorzugt sind. Trotz des Abschaltens des Bodenheizers und der Zuschaltung der Kühlung erhöht sich die an der Stelle des Thermoelements gemessene Temperatur auch nach dem Zeitpunkt ti weiter, solange bis diese schließlich abfällt. Dieser Temperaturabfall ist in der Fig. 9 dargestellt. In dieser Phase erfolgt auch weiterhin ein Heizen des Behälters mittels eines in den Figuren 8a und 8b nicht abgebildeten Deckel- und Mantelheizers, die in der allgemein üblichen Weise ausgelegt sind. Durch das allmähliche Schmelzen des Silizium-Materials in dem Behälter wird der Temperaturabfall gemäß der Fig. 9 allmählich abgebremst. Die Temperatur durchläuft schließlich ein Minium und beginnt anschließend aufgrund der Heizung durch den Deckel- und Mantelheizer erneut anzusteigen. Die Kristallisationsphase wird gemäß der Fig. 9 erfindungsgemäß zu einem Zeitpunkt t2 eingeleitet durch Erhöhung der Kühlleistung von maximal von maximal lW/cm2, bevorzugt von maximal 0,65W/cm2 auf minimal 2W/cm2, bevorzugt minimal l,5W/cm2, sobald die am Thermoelement an der Tiegelaufstellplatte gemessene Temperatur nach dem Durchlaufen des sich durch die Bodenheizerabschaltung und Kühlleistungszuschaltung einstellenden Minimums (wie vorstehend beschrieben) um eine vorbestimmte Temperaturdifferenz (ΔΤ) von bevorzugt 5 K bis 25 K über dieses Minimum wieder angestiegen ist. Bei dem erfindungsgemäßen wird somit bevorzugt auf das Temperatursignal des in der Tiegelaufstellplatte befindlichen Thermoelements gesteuert, sodass ein Eintauchen eines Temperatur-Sensors in die Si-Schmelze nicht notwendig ist, die herkömmlich aufwändig ist und verschiedenste Fehler im Si-Ingot hervorruft. Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein wird, kann das Thermoelement, als Beispiel für einen allgemeiner vorhandenen Temperatur-Sensor, auch an anderer Stelle in der Nähe des Tiegels der Vorrichtung gemäß den Figuren 8a und 8b angeordnet sein, solange eine ausreichende Korrelation zwischen dem Temperatursignal eines solchen Temperatur-Sensors und der tatsächlich in dem Schmelztiegel vorherrschenden Temperatur vorliegt. Diese Korrelation kann beispielsweise anhand von Eich- oder Referenzmessungen im Voraus bestimmt und im Speicher einer Steuereinrichtung, beispielsweise eines Prozessors, hinterlegt sein, um eine geeignete Temperatursteuer zu erzielen. Dabei ist es von Vorteil, in der Kristallisationsphase die Phasengrenze fest-flüssig konvex zu gestalten, um die Ausbreitung von Kristallkörnern anderer Orientierung, die durch Fremdkeimbildung an der Tiegelwand verfahrensbedingt immer auftreten, in Richtung Ingotmitte einzudämmen. Gleichzeitig darf die Konvexität der Phasengrenze nicht zu groß sein, um die, durch thermischen Stress verursachte Versetzungsbildung nicht anzuregen. Die Kristallisation eines Ingots erfolgt erfindungsgemäß: As shown in the exemplary embodiments, the melting of the seed layer takes place without mechanically touching the position of the phase boundary. Instead, the procedure is such that the temperature of the underside of the crucible mounting plate is measured at a defined distance from the center of symmetry of the crucible bottom, specifically at the periphery of the crucible mounting plate of good heat-conducting graphite, by means of a pyrometer or thermocouple. 9 shows a typical time profile of the temperature profile, as measured by the thermocouple 16 shown in FIGS. 8a and 8b. A bottom heater is used (see reference numeral 17 in Figures 8a and 8b), which operates from the beginning of the heating of the silicon until the melting temperature of the silicon is reached. The shutdown of the floor heater takes place on reaching the melting temperature of the silicon at the time ti in FIG. 9 and there is a simultaneous connection of a floor cooler with a cooling capacity of a maximum of lW / cm 2 , with a maximum of 0.65W / cm 2 are preferred. Despite the switching off of the bottom heater and the connection of the cooling, the temperature measured at the location of the thermocouple increases even after the time ti until it finally falls. This temperature drop is shown in FIG. 9. In this phase, further heating of the container by means of a not shown in Figures 8a and 8b lid and jacket heater, which are designed in the usual way. Due to the gradual melting of the silicon material in the container, the temperature drop according to FIG. 9 is gradually decelerated. The temperature eventually passes through a minium and then begins to rise again due to the heating by the lid and jacket heater. The crystallization phase is shown in FIG. 9 according to the invention at a time t 2 initiated by increasing the cooling capacity of up to a maximum of lW / cm 2, preferably of at most 0,65W / cm 2 to a minimum of 2W / cm 2, preferably minimally l, 5W / cm 2 , as soon as the temperature measured on the thermocouple at the crucible mounting plate has passed a predetermined amount after passing through the bottom heater cut-off and cooling power switch-on minimum (as described above) Temperature difference (ΔΤ) of preferably 5 K to 25 K has risen again above this minimum. In the case of the invention, it is thus preferably controlled to the temperature signal of the thermocouple located in the crucible mounting plate, so that it is not necessary to immerse a temperature sensor in the Si melt, which is conventionally complicated and causes a great variety of defects in the Si ingot. As will be apparent to one skilled in the art upon reading the foregoing description, the thermocouple, as an example of a more common temperature sensor, may also be located elsewhere near the crucible of the apparatus of Figures 8a and 8b so long as there is sufficient correlation between the temperature signal of such a temperature sensor and the actual temperature prevailing in the crucible. This correlation can for example be determined in advance by means of calibration or reference measurements and stored in the memory of a control device, for example a processor, in order to achieve a suitable temperature control. It is advantageous to make the phase boundary solid-liquid convex in the crystallization phase, in order to curb the propagation of crystal grains of other orientation, which always occur due to foreign nucleation on the crucible wall in the direction of Ingotmitte. At the same time, the convexity of the phase boundary must not be too large in order not to excite the dislocation formation caused by thermal stress. The crystallization of an ingot takes place according to the invention:
- mit der gerichteten Erstarrung von unten nach oben;  - with the directed solidification from bottom to top;
- mit auf einer Keimaufstellplatte angeordneten Keimen, deren Keimflächen und vor allem die Keimkanten der einzelnen Keime wie weiter vorn bereits beschrieben geschliffen sind, so dass die Stoßkanten eine geringe Rauigkeit aufweisen und möglichst ohne Fugen aneinander stoßen und damit - With arranged on a germination plate germs whose germinal surfaces and especially the seed edges of the individual germs are ground as described earlier, so that the abutting edges have a low roughness and as possible without joints abut and thus
Stoßzwillinge verhindern oder alternativdie Prevent bump twins or alternatively the
- mit Keimstößen, die überlappen und nicht senkrecht zur Phasengrenze stehen, um die Zwillingshäufigkeit zu senken  - with sprouts that overlap and are not perpendicular to the phase boundary to reduce the twin frequency
- mit einem thermischen Regime, welches jegliche Sprünge in der Temperatur-, Druck- und Positionsregelung vermeidet, um die Zwillingshäufigkeit zu senken  - With a thermal regime, which avoids any jumps in the temperature, pressure and position control to reduce the twin frequency
- mit einer konvexen Phasengrenze, welche das Einwachsen von Fremdkeimen, gebildet an der Tiegelwand, in die Ingotmitte verhindert  - With a convex phase boundary, which prevents the ingrowth of foreign nuclei formed on the crucible wall, in the Ingotmitte
- mit einer konvexen Phasengrenze deren Durchbiegung gering genug ist, die, durch diese Durchbiegung induzierte thermische Spannung im Kristall geringer als die kritische Schubspannung von 1,6 MPazu halten, um keine Versetzungsvervielfachung zu erzeugen.  with a convex phase boundary whose deflection is low enough to keep the thermal stress induced by this deflection lower than the critical shear stress of 1.6 MPa in the crystal so as not to produce dislocation multiplication.
Nachdem der fertig gezüchtete Ingot nach einem Standardprogramm auf eine Temperatur nahe Raumtemperatur abgekühlt wurde, wird er gemeinsam mit dem Tiegel aus der Kristallzüchtungsanlage entnommen und entformt. Schneidet man einen runden Ingot entlang der Symmetrieachse bzw. einen quaderförmigen Ingot entlang einer parallel zu einer Kante verlaufenden und durch das Symmetriezentrum des Ingots verlaufenden Linie virtuell auf, so erhält man eine fiktive Schnittfläche, an der veranschaulicht wird, wo sich die nichtaufgeschmolzene Keimschicht befindet und wo multi- und quasimonokristalline Bereiche vorhanden sind, wie sie für die Herstellung von hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung mit den in den Figuren 1 und 2 beispielhaft angegebenen Größen bzw. Abmessungen geeignet sind. Die Figuren 1 und 2 zeigen, wie ein solcher Ingot z.B. horizontal aufgeschnitten werden kann, um Blanks für verschiedene Endprodukte zu gewinnen. Die Fotografie eines derartigen Horizontalschnittes zeigt die Figur 3, welche weiter unten konkret erläutert wird. After the finished cultured ingot has been cooled to a temperature close to room temperature according to a standard program, it is taken out of the crystal growing plant together with the crucible and demoulded. If one cuts a round ingot along the axis of symmetry or a cuboid ingot along a parallel to an edge extending and extending through the center of symmetry of the ingot line virtually, we obtain a fictional sectional surface, is illustrated at where the unmelted seed layer is located and where multi- and quasi-monocrystalline Areas are present, as they are suitable for the production of high-impedance optical components or high-resistance components for semiconductor processing equipment with the sizes or dimensions exemplified in Figures 1 and 2. Figures 1 and 2 show how such an ingot can be cut horizontally, for example, in order to obtain blanks for various end products. The photograph of such a horizontal section is shown in FIG. 3, which will be explained in more detail below.
Einen solchen prinzipiellen Querschnitt eines Ingots der Generation 4 (630 mm x 630 mm Grundfläche und Höhe 430 mm) zeigt die Fig. 1 und einen Ingot der Generation 5 (780 mm x 780 mm Grundfläche und Höhe 430 mm) zeigt die Fig. 2. In beiden Figuren sind Bereiche gekennzeichnet, die beispielhaft für zwei häufig benötigte Abmessungen von hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung (0 600 mm x 10 mm bzw. 0 540 mm x 10 mm bzw. 0 300 mm x 6 mm bzw. 0 250 mm x 10 mm) verwendet werden können. Grundsätzlich existieren eine Vielzahl anderer Produkte mit abweichenden Abmaßen; diese Möglichkeiten werden in den Figuren 1 und 2 beispielhaft als Blank bezeichnet. Such a basic cross-section of a generation 4 ingot (630 mm × 630 mm base and height 430 mm) is shown in FIG. 1 and a generation 5 ingot (780 mm × 780 mm base and height 430 mm) is shown in FIG. 2. In both figures, areas are marked which are exemplary of two frequently required dimensions of high-resistance optical components or high-resistance components for semiconductor processing equipment (0 600 mm × 10 mm or 0 540 mm × 10 mm or 0 300 mm × 6 mm or 0 250 mm x 10 mm) can be used. Basically, there are a variety of other products with different dimensions; These possibilities are referred to by way of example in FIGS. 1 and 2 as blank.
Die weitere Prozessierung eines Ingots erfolgt in der nachfolgend beispielhaft beschriebenen Vorgehens weise: The further processing of an ingot takes place in the manner described below by way of example:
Als erstes wird First is
a) eine Bodenschicht abgesägt, was meist mit einer Bandsäge erfolgt. An den sägerauen Schnittflächen ist unter geeignetem Lichteinfall und verschiedenen Betrachtungsrichtungen visuell genau erkennbar, wo der quasimonokristalline Zentrumsbereich endet und ein multikristalliner Randbereich beginnt. Nachdem der Abstand des vertikalen Schnittes von jedem Ingotrand, der z.B zwischen 2 cm und 10 cm betragen kann, konkret definiert ist, erfolgt a) sawed off a bottom layer, which usually takes place with a band saw. At the sawn cut surfaces it is possible to see visually exactly under suitable incidence of light and different viewing directions where the quasi-monocrystalline center region ends and a multicrystalline edge region begins. After the distance of the vertical section of each Ingotrand, which may be, for example, between 2 cm and 10 cm, is defined concrete, takes place
b) das Absägen der vier Seitenflächen bzw. einer Mantelschicht. Alternativ hierzu können auch zuerst die vier Seitenflächen bzw. die Mantelschicht in vordefinierter Dicke abgesägt werden. Welche Dicke notwendig ist, ergibt sich aus der Erfahrung, d.h. aus vorherigen Prozessen, bzw. daraus, ob der Tiegelboden vollflächig oder unter Auslassen eines schmalen Randbereiches mit Keimen ausgelegt wurde. Die im Anschluss an diesen Schritt abzusägende Bodenschicht ist bei dieser Vorgehensweise etwas kleiner als beim Vorgehen gemäß a). Damit füllt im Falle der Wiederverwendung der Bodenschicht als Keim im Folgeprozess dieser den Tiegelboden nicht zu 100 % aus. b) the sawing of the four side surfaces or a cladding layer. Alternatively, the four side surfaces or the cladding layer can also be sawed off in a predefined thickness first. Which thickness is necessary results from experience, i. from previous processes, or from whether the crucible bottom was laid over the entire surface or with the omission of a narrow edge area with germs. The soil layer to be sawn off after this step is slightly smaller in this procedure than in the procedure according to a). Thus, in the case of reuse of the soil layer as a germ in the subsequent process of this does not fill the crucible bottom to 100%.
Als nächster Schritt werden aus dem verbleibenden Ingotvolumen horizontale Scheiben herausgeschnitten, die eine Dicke aufweisen, die noch ein Aufmaß für die weiteren Bearbeitungsschritte zur Herstellung von z.B. hochohmigen optischen Bauteile oder von hochohmigen Bauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung oder anderer Blanks besitzen. As a next step, horizontal slices are cut out of the remaining ingot volume, which have a thickness which is still an allowance for the further processing steps for the production of e.g. have high-impedance optical components or high-resistance components for semiconductor processing equipment or other blanks.
Die Bestimmung des spezifischen Widerstandes erfolgt sinnvollerweise in zwei Schritten: Zuerst wird der Widerstand an der inneren Schnittfläche einer Seitenfläche entlang einer vertikalen Linie punktweise bestimmt. Damit wird geprüft, an welchen Höhenkoordinaten der Ingot die für einen oder auch mehrere Arten von Finalprodukten den geforderten spezifischen Widerstand erreicht. Nach dem Herausschneiden horizontaler Scheiben aus dem Ingot kann an Proben, die benachbart zum für das Finalprodukt ausgewählten Flächenbereich geschnitten wurden, der spezifische Widerstand zusätzlich in höherer Genauigkeit in Form eines Flächenscans über die Probe bestimmt werden. Es ist aber auch eine flächige rasternde Messung des spezifischen Widerstandes über den gesamten interessanten Flächenbereich der Scheibe möglich, um den Mittelwert und auch die Schwankungsbreite der Messwerte innerhalb der Scheibe anzugeben. Analog zum letzteren Fall ist dies auch direkt am auszuliefernden Blank möglich. In den meisten Fällen ist dieser Aufwand jedoch nicht erforderlich. The determination of the specific resistance is expediently carried out in two steps: First, the resistance at the inner cut surface of a side surface along a vertical line is determined pointwise. This is used to check at which height coordinates the Ingot that achieves the required resistivity for one or more types of final products. After cutting out horizontal slices from the ingot, specimens cut adjacent to the area selected for the final product can additionally determine the resistivity in higher accuracy in the form of a surface scan across the specimen. However, it is also possible to perform a planar raster measurement of the specific resistance over the entire interesting surface area of the slice, in order to specify the mean value and also the fluctuation range of the measured values within the slice. Similar to the latter case, this is also possible directly on the blank to be delivered. In most cases, this effort is not required.
Die für die Messung in Frage kommenden Methoden bzw. Geräte unterscheiden sich im Wesentlichen nur darin, welcher Widerstandsbereich erwartet und ob eine flächig rasternde Aufnahme der Messwerte benötigt wird. So kann die Messung z.B. offline und punktweise oder rasternd im Bereich bis 30 Ωαη mit einem Wirbelstrom-Messverfahren erfolgen (z.B. mit dem Messgerät RT 100 der Fa. S emilab/Ungarn) oder punktweise oder rasternd mit einem 4-Spitzen-Messverfahren erfolgen (z.B. des Automatic Four-Point Probe, Model 280SI Series der Fa. Four Dimensions Inc./ Hayward, CA, USA zur Vermessung zuvor definiert hergestellter geeigneter Probengeometrien oder das 4PP-System für Ingots der gleichen Firma). Essentially, the methods or devices that can be used for the measurement differ only in what range of resistance is expected and whether it is necessary to record the measured values over a wide area. Thus, the measurement may be e.g. offline and punctiform or scanning in the range up to 30 Ωαη done with an eddy current measuring method (eg with the RT 100 from the company. S emilab / Hungary) or pointwise or raster with a 4-tip measuring method done (eg the Automatic Four-Point Sample, Model 280SI Series from Four Dimensions Inc./ Hayward, CA, USA for measuring previously defined suitable sample geometries or the 4PP system for ingots of the same company).
Die Fig. 3 zeigt eine Fotografie der Draufsicht auf eine aus dem Ingot geschnittene Scheibe in mittlerer Ingothöhe. Obwohl in diesem Fall die Seitenflächen bereits abgetrennt wurden, ist ein multikristalliner Bereich (B) zu sehen, der vom Rand her in Richtung des quasimonokristallinen Zentrums (A) eingewachsen ist und in diesem Bild durch eine von Hand eingezeichnete Linie vom quasimonokristallinen Gutbereich separiert ist. In das quasimonokristalline Zentrum (A) sind drei runde Blanks unterschiedlichen Durchmessers exemplarisch eingezeichnet. Die in Fig 3 eingezeichnete Probe ist repräsentativ für verschiedenen Probengeometrien und Probenpositionen. Diese kann für die o.g. Widerstandsmessungen, Transmissionsmessungen, FTIR-Messungen oder zur Verunreinigungsbestimmung (AAS, GDMS, ICP-MS, ...) verwendet werden. Innerhalb des nach visueller Betrachtung her quasimonokristallinen Gutbereiches wird nun versucht, ein möglichst großes Volumen für Enderzeugnisse nutzbar zu machen. Dazu muss der quasimonokristalline Gutbereich tiefergehend untersucht werden, ob nicht die Lage und vor allem lokale starke Konzentrationen von Clustern von Versetzungen und Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen bestimmte Bereiche für die vorgesehene Nutzung unbrauchbar machen. Im Ergebnis dieser weiter unten beschriebenen Untersuchungen muss die Größe und die Position der aus einer Scheibe gewinnbaren Blanks endgültig festgelegt werden. FIG. 3 shows a photograph of the plan view of a slice cut from the ingot in the middle ingot height. Although in this case the side surfaces have already been separated, one can see a multicrystalline region (B), which has grown in from the edge in the direction of the quasi-monocrystalline center (A) and is separated in this image by a hand-drawn line from the quasi-monocrystalline material region. In the quasi-monocrystalline center (A), three round blanks of different diameters are shown by way of example. The sample shown in FIG. 3 is representative of different sample geometries and sample positions. This can be for the o.g. Resistance measurements, transmission measurements, FTIR measurements or for contamination determination (AAS, GDMS, ICP-MS, ...). Within the visual range quasi monocrystalline good range, an attempt is now being made to utilize the largest possible volume for end products. For this purpose, the quasi-monocrystalline material region must be investigated in more detail whether it is not the position and above all local strong concentrations of clusters of dislocations and small-angle grain boundaries, foreign grains or twin boundaries rendering certain areas unusable for the intended use. As a result of these tests described below, the size and position of the blanks obtainable from a disk must be finally determined.
Derartige Scheiben - insbesondere ihr quasimonokristalliner Bereich - werden nun hinsichtlich des Gehalts, der Verteilung und Qualitätsrelevanz einer ersten Gruppe von Kristalldefekten, bekannt als „Versetzungscluster", „Versetzungsagglomerationen", „Anhäufungen von Kleinwinkelkorngrenzen" oder dergleichen beurteilt. Diese Gruppe wurde im vorangegangenen Text und wird im folgenden Text als„Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen" bzw. einfach nur als Versetzungscluster oder Cluster bezeichnet. Die Beurteilung dieser ersten Gruppe an Kristalldefekten basiert auf nachfolgend dargestellten Zusammenhängen und ist wie folgt zu beschreiben: Such disks - in particular their quasi-monocrystalline region - are now in terms of content, distribution and quality relevance of a first group of Crystal defects, known as "dislocation clusters", "dislocation agglomerations", "small angle grain boundary clusters" or the like.) This group has been referred to in the preceding text and will be referred to hereinafter as "clusters of dislocations or small angle grain boundaries" or simply as dislocation clusters or clusters. The assessment of this first group of crystal defects is based on the following relationships and should be described as follows:
VGF-Mono-Silizium-Material, welches im Ergebnis der gerichteten Erstarrung entsteht, enthält eine mittlere Konzentration von isolierten Versetzungen zwischen größer 1 x 102 cm"2 und kleiner als 1 x 10 cm" , typischerweise zwischen 10 cm" und 10 cm" . Hierin unterscheidet sich VGF-Mono- Silizium vom idealen monokristallinen Silizium, hergestellt z.B. mit dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren. Mit letztgenanntem Verfahren hergestelltes Silizium liegt im Versetzungsgehalt üblicherweise unter 102 cm"2 und ist typischerweise sogar ganz oder nahezu frei von Versetzungen. Allerdings kann auch monokristallines Silizium aus dem Czochralski- oder dem Floating Zone-Verfahren sehr hohe Konzentrationen an Versetzungen infolge Versetzungsmultiplikation aufweisen, falls es beim Kristallisationsprozess zu Störungen kommt. Solches Material ist aber untypisch. Es entspricht nicht den Spezifikationsanforderungen der Einsatzgebiete nach diesem Verfahren hergestellten Materials, wird typischerweise recycelt und ist vor allem wegen der damit dann verbundenen sehr hohen mechanischen Spannungen auch schwer zu bearbeiten (Czochralski und Floating Zone Kristalle mit lokal hohen Versetzungsdichten reißen leicht). VGF-mono-silicon material, which is produced as a result of the directional solidification containing an average concentration of isolated dislocations between greater than 1 x 10 2 cm "2 and less than 1 x 10 cm", typically between 10 cm "and 10 cm" , Here VGF mono-silicon differs from the ideal monocrystalline silicon, manufactured for example with the Czochralski or the floating zone method. Silicon produced by the latter method is usually below 10 2 cm -2 and is typically even wholly or nearly free of dislocations However, monocrystalline silicon from the Czochralski or the floating zone method may also have very high concentrations of dislocation multiplication offsets. However, such material is atypical, it does not meet the specification requirements of the uses of material produced by this process, is typically recycled, and is also difficult to process, especially because of the high mechanical stresses involved (Czochralski and Floating zone crystals with locally high dislocation densities break easily).
Solange die Versetzungen isoliert verlaufen, d.h. solange sie nicht teilweise zu Versetzungslinien, Kleinwinkelkorngrenzen und Anhäufungen davon angeordnet sind, ist die lokale Orientierung des Kristallgitters durch das Vorhandensein der Versetzungen makroskopisch nicht maßgeblich beeinflusst. Das optische Erscheinungsbild einer mechanisch bearbeiteten, geschliffenen oder polierten Werkstückoberfläche von quasimonokristallinen Silizium- Werkstücken unterschiedlichster Versetzungskonzentration unterscheidet sich nicht. Transmissions- und Reflexionsverhalten sind identisch. As long as the dislocations are isolated, i. unless they are partially aligned to dislocation lines, small angle grain boundaries, and clusters thereof, the local orientation of the crystal lattice is not macroscopically affected by the presence of the dislocations. The optical appearance of a machined, ground or polished workpiece surface of quasi-monocrystalline silicon workpieces of different dislocation concentration does not differ. Transmission and reflection behavior are identical.
Anders ist dies, wenn sich Versetzungen während der Kristallisation oder auch während der Abkühlung zu Versetzungslinien und Anhäufungen von Versetzungslinien, den schon genannten Versetzungsclustern, arrangieren. Die linienhaft angeordneten Versetzungen können sich auch zu Kleinwinkelkorngrenzen ausweiten. Letztere umschließen dann Kristallbereiche, welche gegenüber der restlichen Matrix des Werkstücks eine signifikante Verkippung von einigen Bogenminuten bis, im Extremfall, einigen Grad aufweisen können, sogenannte Subkörner. Typischerweise liegen in Versetzungsclustern dieser Art viele derart verkippte kleine und kleinste Subkörner benachbart vor, wobei die Abstände und Dimensionen vom μιη- bis zum cm-Bereich reichen können. This is different if dislocations during the crystallization or even during the cooling to arrange dislocation lines and accumulations of dislocation lines, the aforementioned dislocation clusters. The linear dislocations may also extend to small angle grain boundaries. The latter then enclose crystal regions which, compared to the rest of the matrix of the workpiece, can have a significant tilt of a few arc minutes to, in the extreme case, a few degrees, so-called subgrains. Typically, dislocation clusters of this type have many such small and minute sub-grains tilted adjacent to each other, with distances and dimensions ranging from μιη to cm.
Bereiche größerer Verkippung (Subkörner mit einem Verkippungswinkel von größer als ca. 20°) sind im optischen Erscheinungsbild Fremdkörnern vergleichbar und können visuell mit unbewaffnetem Auge und unter guter Beleuchtung an der mechanisch geeignet bearbeiteten Oberfläche erkannt werden, falls sie ausreichend groß sind. Sie stellen eine zweite Gruppe von Kristallfehlern in VGF-Mono-Silizium dar. Auch die dritte Gruppe von Kristallfehlern in VGF-Mono-Silizium, die Zwillingsgrenzen, sind wie die zweite Gruppe visuell erkennbar. Areas of greater tilt (sub-grains with a tilt angle of greater than about 20 °) are comparable in appearance to foreign grains and can be visually recognized with unaided eye and under good lighting on the mechanically machined surface, if they are sufficiently large. They represent a second group of crystal defects in VGF mono-silicon. Also the third group of Crystal defects in VGF mono-silicon, the twin boundaries, are visually recognizable, as is the second group.
Wichtig bei der visuellen Detektion ist, dass der Einstrahlwinkel der Beleuchtung zur zu beurteilende Fläche den Winkelbereich von 10° bis 75° überstreicht und sich die Lichtquelle azimutal in 10°-Schritten die zu beurteilende Fläche über 360° umläuft. Die Betrachtungsrichtung der zu beurteilenden Fläche durch den Beurteiler muss von gegenüber der Einstrahrichtung sein und denselben Einstrahlwinkelbereich von 10° bis 75° überstreichen. Zusätzlich zur Betrachtungsrichtung von genau gegenüber der Einstrahlrichtung der Lichtquelle muss ein azimutalen Betrachtungswinkelbereich von -90° bis +90° zur Betrachtungsrichtung überstrichen werden. Geschliffene Oberflächen eignen sich dafür, besser sind sandgestrahlte Oberflächen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine grob geschliffene, durch Drahttrennläppen oder an einer Bandsäge typischerweise erreichte Oberflächenqualität zur Beurteilung auch ausreicht. Bereiche größerer Verkippung können aber auch sehr klein sein und sich damit der visuellen Erkennbarkeit entziehen. Diese sehr kleinen Defekte sind in den entsprechenden nachfolgend definierten Materialklassen nicht umfasst. Diese kleinen nicht detektierbaren und die größeren detektierbaren Fremdkörner, Zwillingsgrenzen bzw. Bereiche größerer Verkippung befinden sich immer in einer quasimonokristallinen Matrix. Quasimonokristalline Matrix ist definiert als ein quasimonokristalliner Bereich, der ein Fremdkorn allumfänglich einbettet. It is important in visual detection that the angle of incidence of the illumination to the surface to be assessed covers the angle range from 10 ° to 75 ° and the light source rotates azimuthally in 10 ° increments over 360 °. The viewing direction of the area to be assessed by the appraiser must be from the direction of incidence and the same incidence angle range from 10 ° to 75 °. In addition to the viewing direction of exactly opposite the direction of incidence of the light source, an azimuthal viewing angle range of -90 ° to + 90 ° to the viewing direction must be covered. Sanded surfaces are suitable for this, better are sandblasted surfaces. However, it has been found that a roughly ground surface quality typically achieved by wire-cutting lapping or on a band saw is also sufficient for the evaluation. However, areas of greater tilting can also be very small and thus avoid visual recognition. These very small defects are not included in the corresponding material classes defined below. These small undetectable and the larger detectable foreign grains, twin boundaries or regions of greater tilt are always in a quasi-monocrystalline matrix. Quasi-monocrystalline matrix is defined as a quasi-monocrystalline region that embeds a foreign metal all around.
Im Ergebnis der visuellen Evaluierung erfolgt die Materialklassifizierung hinsichtlich Fremdkörnern in 5 Klassen: As a result of the visual evaluation, the material classification for foreign grains takes place in 5 classes:
Klasse FK1 : Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner 1 x 106 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material keine Fremdkörner aufweist. Class FK1: Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than 1 x 10 6 cm " 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has no foreign grains on a cut surface through the material.
Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder der Blankoberfläche, die an Finalbauteilen geringer Dicke in Richtung der Belastung bzw. des chemischen Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or the blank surface, which is at Final components of small thickness in the direction of the load or the chemical
Angriffs zeigt (funktionale Fläche). Attack indicates (functional area).
Geringe Dicke bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das als Platte vorliegende Blank bzw. die aus dem Ingot herausgeschnittene Scheibe eine Dicke von mindestens 5 mal geringer als seine größte Flächendimension hat.  In this context, a small thickness means that the blank or the slice cut out of the ingot has a thickness of at least 5 times less than its largest surface dimension.
Klasse FK2: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner 1 x 106 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 1 Fremdkorn je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist. Class FK2: silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than 1 x 10 6 cm " 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 1 foreign particle per dm on a cut surface through the material 2 in a size smaller than 50 mm 2 has.
Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder der Blankoberfläche, die am Finalbauteil in Richtung der Belastung bzw. des chemischen Angriffs zeigt (funktionale Fläche). Die am Finalbauteil vorliegende Richtung der Belastung bzw. des chemischen Angriffs bedeutet die Seite des Bauteils, die der Belastung ausgesetzt ist wie z.B. die Fläche, die sich in der Nähe eines Plasmas befindet oder die reaktiven Gasen ausgesetzt ist. Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or the blank surface, which points to the final component in the direction of stress or chemical attack (functional surface). The direction of stress or chemical attack present at the final component means the side of the component which exposed to stress, such as the area near a plasma or exposed to reactive gases.
Die Größe „Anzahl Fremdkorn je dm2 bedeutet die Flächendichte von Fremdkörnern auf der bewerteten Oberfläche. The quantity "number of foreign particles per dm 2 means the area density of foreign grains on the evaluated surface.
Klasse FK3: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner 1 x 106 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 2 Fremdkörner je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist, Class FK3: silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to less than 1 x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 2 foreign grains per dm 2 having a size smaller than 50 mm 2 ,
Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Blankoberfläche.  Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.
Die einer Bewertung zugängliche Blankoberfläche ist die Außenfläche eines Blanks, durch die geeignete Messverfahren Aufschluss geben über eine für das The blank surface accessible for evaluation is the outer surface of a blank, through which suitable measuring methods provide information on a blank
Volumen repräsentative Oberflächenqualität bzw. die nach der Finalbearbeitung erreichbare Oberflächenqualität. Volume representative surface quality or the surface quality achievable after final processing.
Klasse FK4: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner 1 x 106 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 5 Fremdkörner je dm2 in einer Größe kleiner als 50 mm2 aufweist. Class FK4: silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to less than 1 x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has a maximum of 5 foreign grains per dm 2 in a size smaller than 50 mm 2 has.
Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or in one of the evaluation accessible
Blankoberfläche. Blank surface.
Klasse FK5: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner 1 x 106 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material Fremdkörner ohne zahlenmäßige Begrenzung jedoch mit einer Größe von je kleiner als 50 mm2 aufweist. Class FK5: Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than 1 x 10 6 cm " 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small-angle grain boundary-free volume, on a sectional surface through the material foreign matter but without numerical limitation having a size of less than 50 mm 2 each.
Bestimmungskriterium: Sichtbarkeit in der Prüfoberfläche. Die Prüfoberfläche ist entweder die Scheibenoberfläche oder in einer der Bewertung zugänglichen Blankoberfläche.  Determination criterion: Visibility in the test surface. The test surface is either the disk surface or blank surface accessible to the evaluation.
Die für die Bestimmung von Fremdkörnern an der jeweiligen Prüffläche vorbeschriebene Methode eignet sich auch zur Bestimmung von Zwillingsgrenzen. Eine Zwillingsgrenze ist definiert als kohärente Korngrenze, vorzugsweise als Σ3 -Korngrenze. The method described above for the determination of foreign grains on the respective test surface is also suitable for the determination of twin limits. A twin boundary is defined as a coherent grain boundary, preferably as a Σ3 grain boundary.
Im Ergebnis der visuellen Evaluierung erfolgt die Materialklassifizierung hinsichtlich Zwillingsgrenzen in 5 Klassen: As a result of the visual evaluation, the material classification with respect to twin boundaries takes place in 5 classes:
Die genannten Bestimmungskriterien für Fremdkörner in jeder Klasse 1-5 gelten analog für Zwillingsgrenzen der Klassen 1-5. Klasse ZI : Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material keine Zwillingsgrenzen aufweist The above-mentioned determination criteria for foreign grains in each class 1-5 apply analogously to twin limits of classes 1-5. Class ZI: Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to smaller l x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has no twin boundaries on a cut surface through the material
Klasse Z2: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 4 Stück Zwillingsgrenzen einer Gesamtlänge von maximal. 0,5 m pro dm2 aufweist. Class Z2: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 4 pieces of twin boundaries of a total length of maximum. 0.5 m per dm 2 .
Klasse Z3: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 10 Stück Zwillingsgrenzen mit einer Gesamtänge von 1,4 m pro dm2 aufweist. Class Z3: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 10 twin boundaries having a Total length of 1.4 m per dm 2 has.
Klasse Z4: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material maximal 100 Stück Zwillingsgrenzen mit einer Gesamtlänge von 14 m pro dm2 aufweist. Class Z4: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a maximum of 100 twin boundaries having a Total length of 14 m per dm 2 has.
Klasse Z5: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material mehr als 100 Stück Zwillingsgrenzen pro dm2 aufweist. Visuell überhaupt nicht auffallend sind alle Versetzungscluster mit Subkörnern oder Bereichen von nur geringer Verkippung, unabhängig von deren Größe. Sie stellen jedoch strukturelle Inhomogenitäten dar, welche in reflektiven oder transmittiven optischen Bauelementen bei zu hoher Konzentration deren Funktion beeinträchtigen. Auch in anderen aus VGF-Mono-Silizium-Material fertigbaren Produkten, wie Elektrodenplatten (auch als Showerhead oder Electrode Plate bezeichnet oder Gas Distribution Plate bezeichnet) in Plasmaätzanlagen oder Platten zur Verteilung von Gasen in CVD-Anlagen (Chemical Vapour Deposition) und anderen in der Halbleiterindustrie zur Prozessierung von Halbleitern oder Halbleiterbauelementen benötigten Bauteilen, können diese Cluster unerwünscht sein und sind in Bezug auf ihren Flächenanteil an der Gesamtfläche des Bauteils zu beurteilen. Es ist daher erforderlich, schon am nur teilbearbeiteten Werkstück bzw. Rohling den Gehalt solcher Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen zu erfassen, um auf Basis dieser Erfassung eine geeignete Zuteilung durchführen zu können. Class Z5: Single-dislocation silicon material in the range of greater than 1 x 10 2 cm 2 to smaller l x 10 6 cm 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has more than 100 twinned boundaries per section through the material dm 2 has. Visually not at all conspicuous are all dislocation clusters with sub-grains or areas of only slight tilt, regardless of their size. However, they represent structural inhomogeneities, which affect their function in reflective or transmissive optical components at too high a concentration. Also in other products made of VGF mono-silicon material, such as electrode plates (also referred to as showerhead or electrode plate or Gas Distribution Plate) in plasma etching or plates for distribution of gases in CVD (Chemical Vapor Deposition) and other in In the semiconductor industry for the processing of semiconductors or semiconductor devices required components, these clusters may be undesirable and are to be assessed in terms of their area ratio of the total area of the component. It is therefore necessary to detect the content of such clusters of dislocations or small-angle grain boundaries already on the partially machined workpiece or blank in order to be able to carry out a suitable allocation on the basis of this detection.
Da eine direkte, visuelle Erfassung der Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen innerhalb des VGF-monokristallinen Kristallvolumens wie beschrieben nicht sicher möglich ist, muss die Erfassung indirekt erfolgen. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine flächige Bestimmung der Ladungsträgerlebensdauer (oder einer damit korrelierenden physikalischen Größe) bei Silizium und anderen Halbleitermaterialien wie Germanium, Galliumarsenid bzw. anderen sogenannten Verbindungshalbleitern ein sehr einfaches, schnelles und zerstörungsfreies Verfahren ist, um daraus eine prognostizierte Standzeit oder den Verschleiß (Materialabtrag durch Ätzgaseinwirkung oder Generierung störender Partikel) der Funktionsbauteile unter Betriebsbedingungen grob zu bewerten. Bereiche mit lediglich isolierten Versetzungen(optisch unkritisch) lassen sich so von solchen mit Versetzungsclustem (optisch kritisch und bei bestimmten elektrischen Anwendungen kritisch) unterscheiden. Die Messtechnik, eigentlich zur Bewertung der elektrischen Qualität von Solarsilizium bzw. zur Bestimmung des erreichbaren Wirkungsgrades von Solarzellen entwickelt, kann mit dem hier beschriebenen Verfahren zur Bewertung der strukturellen Qualität von mono oder quasimonokristallinem Silizium genutzt werden. Somit stehen einfache, kostengünstige und rasch auszuführende Verfahren zur Bewertung zur Verfügung. As a direct, visual detection of the clusters of dislocations or small-angle grain boundaries within the VGF monocrystalline crystal volume such as described is certainly not possible, the detection must be done indirectly. It has surprisingly been found that a planar determination of the carrier lifetime (or a physical quantity correlated therewith) in the case of silicon and other semiconductor materials such as germanium, gallium arsenide or other so-called compound semiconductors is a very simple, fast and non-destructive method in order to predict a predicted service life or wear (Material removal by Ätzgaseinwirkung or generation of interfering particles) of the functional components under operating conditions rough estimate. Areas with only isolated dislocations (optically uncritical) can be distinguished from those with dislocation clusters (optically critical and critical for certain electrical applications). The measurement technique, actually developed for assessing the electrical quality of solar silicon or for determining the achievable efficiency of solar cells, can be used with the method described here for assessing the structural quality of mono or quasi-monocrystalline silicon. Thus, simple, inexpensive and quick to perform evaluation procedures are available.
Hierbei wird die Oberfläche des zu untersuchenden Werkstücks mit beispielsweise folgenden Verfahren untersucht: μ-PCD ( mierowa ve-detected Photo-Conductance Decay measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL ( Photolumineszenz), oder ähnlichen rasternden oder bildgebenden Messtechniken. Für alle diese Messverfahren gibt es bereits Hersteller kommerzieller Messgeräte wie z.B. die Fa. Semilab /Ungarn, die Fa. Freiberg Instruments /Deutschland oder die Fa. Hennecke /Deutschland. Alle diese Messtechniken ermitteln einen Wert, welcher der Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Oberfläche proportional ist. Hierbei ist die räumliche Auflösung der jeweiligen Messtechniken unterschiedlich; sie kann von einigen μιη bis einigen mm reichen. In der Nähe eng benachbarter Versetzungslinien - d.h. im Bereich von Versetzungsclustem - sinkt die Ladungsträgerlebensdauer stark ab, da die Versetzungslinien oder die Kleinwinkelkorngrenzen Orte sehr hoher Ladungsträgerrekombination darstellen und die Abstände der Versetzungslinien die Diffusionslänge der Ladungsträger unterschreitet. Einzige Bedingung an das Material ist, dass keine anderen Rekombinationsmechanismen die Rekombination an den Versetzungslinien dominant überlagern dürfen. Das heißt, eine massive Kontamination z.B. mit im Volumen gleichmäßig verteilten metallischen Verunreinigungen verhindert diese Art der Erfassung von Versetzungsclustem. Insbesondere Übergangsmetalle wie Fe, Cr, Co, Ni, Ti und dergleichen sollten eine Konzentration von 0,1 ppm nicht überschreiten. In this case, the surface of the workpiece to be examined is investigated with the following methods, for example: μ-PCD (mierowa ve-detected Photo-Conductance Decay Measurement), MWT (Microwave Detected Photoconductivity), PL (Photoluminescence), or similar scanning or imaging measurement techniques. For all these measuring methods, there are already manufacturers of commercial measuring instruments, such as the company Semilab / Hungary, the company Freiberg Instruments / Germany or the company Hennecke / Germany. All these measurement techniques determine a value which is proportional to the charge carrier lifetime in the area of the surface. Here, the spatial resolution of the respective measurement techniques is different; It can range from a few μιη to a few mm. Near closely spaced dislocation lines - i. in the range of dislocation clusters - the carrier lifetime decreases strongly, since the dislocation lines or the small angle grain boundaries represent places of very high charge carrier recombination and the distances of the dislocation lines go below the diffusion length of the charge carriers. The only condition for the material is that no other recombination mechanisms are allowed to superimpose the recombination on the dislocation lines. That is, massive contamination, e.g. with uniformly distributed in volume metallic impurities prevents this type of detection of Versatzungsclustem. In particular, transition metals such as Fe, Cr, Co, Ni, Ti and the like should not exceed a concentration of 0.1 ppm.
Weiter kommt einer effizienten Anwendung des Verfahrens zugute, dass einmal vorliegende Versetzungscluster im VGF-Mono-Silizium-Material sich im Verlauf der gerichteten Erstarrung immer weiter fortpflanzen und ausbreiten, nie aber verschwinden oder sich auflösen. Es genügt also für eine einfache Klassifikation, die Seite des Werkstücks zu untersuchen, welche zuletzt erstarrt ist. Dies entspricht die Vermessung der auf Bild 3 gezeigten Gesamtfläche bzw. im Minimum des in diesem Bild markierten quasimonokristallinen Bereiches A. Die Bewertung bzw. Klassifikation der einer Untersuchung zugänglichen Seite eines quaderförmigen, runden, ringförmigen oder anders geformten Blanks erfolgt nach dem Flächenanteil von gefundenen Versetzungsclustern. Die Ermittlung dieses Flächenanteils erfolgt mittels Bildauswertung der flächigen Aufnahmen (Rastermessungen oder Kameraaufnahmen, je nach Messtechnik) einzelner Seiten des Werkstücks (unter Umständen nur der zuletzt erstarrten Seite). Die Messwerte für die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Versetzungscluster liegen dabei deutlich unter dem Mittel der Messwerte außerhalb der Versetzungscluster. Absolutwerte und Auflösung hängen zwar von der gewählten Messtechnik, der Art der mechanischen Oberflächenbearbeitung, der elektrischen Leitfähigkeit des Materials und dem Gehalt an metallischen Verunreinigungen ab, grundsätzlich heben sich aber die Bereiche von Versetzungsclustern immer durch deutlich geringere Messwerte von den unbelasteten Bereichen ab. Es können dann z.B. über die Definition eines Schwellenwerts für die Ladungsträgerlebensdauer oder einer mit dieser Ladungsträgerlebensdauer korrelierten Messgröße Flächenanteile von Bereichen mit Versetzungsclustern von solchen Bereichen ohne Versetzungsclustern getrennt bzw. flächenanteilsmäßig quantifiziert werden. Furthermore, efficient use of the method benefits that dislocation clusters once present in the VGF monosilicon material continue to propagate and spread in the course of directional solidification, but never disappear or dissolve. So it is sufficient for a simple classification to examine the side of the workpiece, which is finally solidified. This corresponds to the measurement of the total area shown in FIG. 3 or the minimum of the quasi-monocrystalline area A marked in this image. The evaluation or classification of the examination-accessible side of a cuboidal, round, annular or other shaped blank takes place according to the area fraction of dislocation clusters found. The determination of this area proportion takes place by means of image evaluation of the areal images (raster measurements or camera shots, depending on the measuring technique) of individual sides of the workpiece (possibly only the last solidified side). The measured values for the carrier lifetime in the region of the dislocation clusters are clearly below the mean of the measured values outside the dislocation clusters. Although the absolute values and the resolution depend on the chosen measuring technique, the type of mechanical surface treatment, the electrical conductivity of the material and the content of metallic impurities, the areas of dislocation clusters are always distinguished from the unloaded areas by significantly lower measured values. By way of example, the definition of a threshold value for the charge carrier lifetime or a measured variable correlated with this charge carrier lifetime can then be used to separate area proportions of areas with dislocation clusters from such areas without dislocation clusters or to quantify them in terms of area.
Nachfolgende Beschreibung des prinzipiellen Vorgehens basiert auf der μPCD-Methode. Die Figuren 4a und 4c zeigen jeweils PL-Aufnahmen und die Figuren 4b und 4d zeigen jeweils das μ-PCD-Mapping einer jeweils sägerauen Waferoberfläche von quasimonokristallin-versetzungsfreiem CZ-Material (Fig. 4a und Fig. 4b) und VGF-Mono- versetzungsbehaftetem Silizium (Fig. 4c und Fig. 4d). In beiden Fällen liegen keine Versetzungscluster vor (Defektflächenanteil 0%). Die Materialien zeigen sich sehr ähnlich.  The following description of the basic procedure is based on the μPCD method. FIGS. 4a and 4c each show PL recordings, and FIGS. 4b and 4d respectively show the μ-PCD mapping of a respective rough-cut wafer surface of quasi-monocrystalline dislocation-free CZ material (FIGS. 4a and 4b) and VGF monosterization-related Silicon (Figures 4c and 4d). In both cases, there are no dislocation clusters (defect area fraction 0%). The materials are very similar.
Der Farbverlauf bei den μPCD-Aufnahmen liegt an Dickenschwankungen des drahttrenngeläppten Wafers und hat nichts mit Qualitätsunterschieden zu tun. Diese Bilder sollen lediglich demonstrieren, dass der Defekttyp Einzelversetzung sich mit den benannten Messverfahren nicht bestimmen lässt und dies für die Qualitätsbewertung entsprechend vorliegender Erfindung auch nicht erforderlich ist. The color gradient in the μPCD images is due to thickness variations of the wire-trimmed wafer and has nothing to do with quality differences. These pictures are merely intended to demonstrate that the defect type individual dislocation can not be determined with the named measuring methods and this is also not necessary for the quality assessment according to the present invention.
Die Fig. 5a zeigt eine PL-Aufnahme und die Fig. 5b zeigt ein μ-PCD-Mapping einer sägerauen Oberfläche von VGF-Mono-Silizium-Materials in der geometrischen Form eines Wafers. Die Probe enthält Versetzungscluster, welche mittels Bildauswertung bzgl. des Flächenanteils auswertbar ist. Der mit Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Flächenanteil ist in diesem Fall niedrig. FIG. 5 a shows a PL recording and FIG. 5 b shows a μ-PCD mapping of a rough-cut surface of VGF monosilicon material in the geometric shape of a wafer. The sample contains dislocation clusters, which can be evaluated by means of image evaluation with respect to the area fraction. The area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is low in this case.
Die Fig. 6a zeigt eine PL-Aufnahme und die Fig. 6b zeigt ein μ-PCD-Mapping eines VGF- Mono-Silizium-Materials in der geometrischen Form eines Wafers. Der mit Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Flächenanteil ist in diesem Fall hoch. FIG. 6a shows a PL recording and FIG. 6b shows a μ-PCD mapping of a VGF monosilicon material in the geometric shape of a wafer. The area fraction interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries is high in this case.
Die Fig. 7 zeigt ein Flächenelement (Prüfoberfläche) eines größeren Blanks als μ-PCD- Flächenbild eine Teilfläche eines IR-Blanks (Blanks zur Verwendung für optische Bauteile im IR-Spektralbereich im Sinne der vorliegenden Anmeldung), welches aus dem VGF- monokristallinem Bereich A eines Ingots gefertigt wurde. FIG. 7 shows a surface element (test surface) of a larger blank as a μ-PCD surface image, a partial surface of an IR blank (blank for use for optical components in the IR spectral range in the sense of the present application), which was produced from the VGF monocrystalline region A of an ingot.
Die gesamte zu bewertende Fläche des quasimonokristallinen Bereiches A oder des Blanks wird entweder als Vollbild aufgenommen und ausgewertet oder aus mehreren Einzelbildern (z.B. Flächenelementen wie in Fig. 7 gezeigt) zusammengesetzt und ausgewertet. Soll eine Aussage über eine konkrete Blankgeometrie getroffen werden im Sinne einer Qualitätseinstufung in die weiter unten genannten fünf Klassen Cl bis C5, wird in die bewertete Fläche bzw. in das zusammengesetzte Bild eine Kontur (neue Prüfoberfläche) hineingelegt, innerhalb derer der Flächenanteil an der Gesamtfläche bestimmt wird, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist. The entire area of the quasi-monocrystalline region A or blank to be evaluated is either taken as a frame and evaluated or composed of several frames (e.g., area elements as shown in Fig. 7) and evaluated. If a statement is to be made about a specific blank geometry in the sense of a quality classification in the five classes C1 to C5 mentioned below, a contour (new test surface) is inserted into the evaluated surface or into the composite image, within which the area fraction in the total surface determined by dislocation clusters and small-angle grain boundaries.
In der DE 102011056404, deren Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei, ist auf der Basis des Messverfahrens MDP das Vorgehen der Bestimmung des Flächenanteiles von Bereichen mit Versetzungsclustern an einer Gesamtfläche beschrieben. Dieses Vorgehen ist bei Verwendung der Methode μ-PCD bzw. PL ist in gleicher Weise geeignet. In DE 102011056404, the content of which is expressly incorporated herein by reference, the procedure of determining the area fraction of areas with dislocation clusters on a total area is described on the basis of the measuring method MDP. This procedure is suitable when using the method μ-PCD or PL is in the same way.
Konkret wird für ein Pixel der Prüfoberfläche mittels vorgenannten rasternden oder bildgebenden Messtechniken (bei hochohmigem Material bevorzugt PL) stets die Ladungsträgerlebensdauer oder ein mit der Ladungsträgerlebensdauer des Materials korrelierter Wert bestimmt. Dies erfolgt auch für alle benachbarten Pixel in einer Teilfläche der zu bewertenden Gesamtfläche. Diese Teilfläche kann quadratisch, rechteckig, kreisförmig oder elliptisch sein. Aus den in dieser Fläche mit einem Zentrumspixel enthaltenen vollständig eingeschlossenen Pixeln (angeschnittene Randpixel sind unzulässig) wird ein Mittelwertbild erzeugt. Dies kann z.B. aus einer Fläche von 11 x 11 Pixeln, d.h. 121 Pixeln, oder einer beliebig definierten Pixelanzahl wie z.B. größer 50 Pixeln oder größer 100 Pixeln gewonnen werden. Da in einem Versetzungscluster oder Kleinwinkelkorngrenzen enthaltenden Pixel die Ladungsträgerlebensdauer deutlich geringer ist als in versetzungsclusterfreien oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Gutbereichen, wird eine Differenz zwischen Mittelwert aus der definierten Anzahl an Nachbarpixeln und dem Zentrumspixelmesswert gebildet. Überschreitet diese Differenz einen zuvor definierten Betrag, wird das Zentrumspixel als Schlechtpixel bewertet. Dieser Schwellenwert ist je nach Messverfahren, Bereich des spezifischen Widerstandes des Prüflings und der Dotierung (p- oder n-leitend) konkret festzulegen. Für mittelohmiges Material und das Messverfahren MDP ist z.B. ein Schwellenwert von 0,22 ein geeigneter Wert. Specifically, the charge carrier lifetime or a value correlated with the charge carrier lifetime of the material is always determined for a pixel of the test surface by means of the aforementioned rastering or imaging measurement techniques (in the case of high-resistance material preferably PL). This is also done for all adjacent pixels in a subarea of the total area to be evaluated. This subarea may be square, rectangular, circular or elliptical. From the pixels completely enclosed in this area with a center pixel (border pixels are not allowed), an averaged image is generated. This can e.g. from an area of 11 x 11 pixels, i. 121 pixels, or an arbitrarily defined number of pixels, e.g. greater than 50 pixels or greater than 100 pixels are obtained. Since the charge carrier lifetime is significantly lower in a dislocation cluster or pixels containing small-angle grain boundaries than in dislocation cluster-free or small-angle grain boundary-free good domains, a difference between the average value is formed from the defined number of neighboring pixels and the center pixel measurement value. If this difference exceeds a previously defined amount, the center pixel is evaluated as a bad pixel. This threshold value has to be specified according to the measuring method, the range of the specimen resistivity and the doping (p- or n-type). For medium-resistance material and the measurement method MDP, e.g. a threshold of 0.22 is an appropriate value.
Entsprechend dem in [0059] bis [0062] der in Bezug genommenen DE 102011056404 beschriebenen Vorgehen wird der Clustergehalt in % wie folgt bestimmt: According to the procedure described in [0059] to [0062] of the referenced DE 102011056404, the cluster content in% is determined as follows:
Anzah l_Sch iech tpixel Number of pixels
Clustergehalr = 100% — —— ; ; — ;  Cluster level = 100% - -; ; -;
Anza n i _ S cn ι e cn tp ? x e ι— A nzanijG tpi x e t  Anza n i _ S cn ι e cn tp? x e ι- A nzanijG tpi x e t
21 Durch den Clustergehalt in % in der zu bewertenden Gesamtfläche oder in der hinterlegten Kontur (z.B. der Blankoberfläche oder neuen Prüfoberfläche) wird eine Qualitätseinstufung vorgenommen. 21 The cluster content in% in the total area to be evaluated or in the stored contour (eg the blank surface or new test surface) is used to make a quality rating.
Je geringer der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzte Bereich ist, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von kleinsten, optisch auffallenden Körnern oder Subkörnern abweichender kristallographischer Orientierung. The lower the range interspersed by dislocation clusters and small angle grain boundaries, the lower the probability of the appearance of the smallest, optically prominent grains or subgrains of differing crystallographic orientation.
Hochohmiges quasimonokristallines VGF-Silizium-Material für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μιη bis 10 μιη, bevorzugter im Bereich 1,4 μιη bis 8 μιη, besonders bevorzugter Bereich 2 μιη bis 5 μιη, oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung wie z.B. Showerheads wird in folgende fünf Qualitätsklassen eingeteilt: Klasse Cl : Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von 0% Clustern aufweist, der von Versetzungsclustern oder Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist. High-resistance quasi-monocrystalline VGF silicon material for optical components for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 μιη to 10 μιη, more preferably in the range of 1.4 μιη to 8 μιη, particularly preferred range 2 μιη to 5 μιη, or for functional components in systems for semiconductor processing such as showerhead is divided into the following five quality classes: class Cl: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which has an area fraction of 0% clusters interspersed by dislocation clusters or small-angle grain boundaries on a cut surface through the material.
Klasse C2: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 25% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist. Class C2: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a surface portion of less than or equal 25% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Klasse C3: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 50% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist. Class C3: Silicon material with discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to smaller lx 10 6 cm " 2 in its quasi-monocrystalline, dislocation cluster or small angle grain boundary-free volume which has an areal fraction of less than or equal to a sectional surface through the material 50% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Klasse C4: Silizium-Material mit Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 cm"2 bis kleiner l x l06 cm"2 in seinem quasimonokristallinen, versetzungscluster- oder kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Flächenanteil von kleiner oder gleich 80% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist. Class C4: silicon material with individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 cm "2 to less than lx l0 6 cm" 2 in its quasi monocrystalline versetzungscluster- or small-angle grain boundaries free volume which to a sectional area through the material of a surface portion of less than or equal 80% interspersed with dislocation clusters and small angle grain boundaries.
Klasse C5: Silizium-Material, das auf einer Schnittfläche durch das Material einen Class C5: Silicon material that passes through the material on a cut surface
Flächenanteil von kleiner oder gleich 100% aufweist, der von Versetzungsclustern und Kleinwinkelkorngrenzen durchsetzt ist.  Area fraction of less than or equal to 100% interspersed with dislocation clusters and small-angle grain boundaries.
Bei der Klassifizierung des mono oder quasimonokristallinen Siliziums für Anwendungsgebiete sind die Klassen FK1 bis FK5, ZI bis Z5 und Cl bis C5 zur Bewertung heranzuziehen. When classifying mono or quasi-monocrystalline silicon for applications, the classes FK1 to FK5, ZI to Z5 and Cl to C5 shall be used for the assessment.
Je nach Anwendungsfall ist unterschiedliches Materialverhalten unter Einsatzbedingungen zu beobachten und deshalb Material einer bestimmten Klasse auszuwählen. Ein wichtiges Materialverhalten ist zum Beispiel: Depending on the application, different material behavior under operating conditions can be observed and therefore material of a particular class must be selected. An important material behavior is for example:
der flächige Ätzabtrag pro Zeiteinheit (insbesondere z.B. in Plasmaätzanlagen) die Homogenität des Ätzabtrages (insbesondere z.B. in Plasmaätzanlagen)  the flat etching removal per unit time (in particular, for example, in plasma etching plants) the homogeneity of the etching removal (in particular, for example, in plasma etching plants)
die Partikelfreisetzung unter Einsatzbedingungen (insbesondere z.B. in Plasma- ätzanlagen)  the release of particles under conditions of use (in particular, for example, in plasma etching plants)
- die Standzeit des Bauteiles  - the service life of the component
Hinsichtlich der Stärke der Beeinflussung der vorgenannten Materialverhalten wirken die definierten Klassen unterschiedlich stark: With regard to the strength of the influencing of the aforementioned material behavior, the defined classes have different strengths:
Klassen Z: vergleichsweise schwach negative Wirkung Classes Z: comparatively weak negative effect
Klassen C: vergleichsweise moderat negative Wirkung Classes C: relatively moderately negative effect
Klassen FK: vergleichsweise stark negative Wirkung Classes FK: relatively strong negative effect
Unabhängig ob ein nach vorliegender Erfindung bewertetes hochohmiges Silizium-Material in eine der Klassen Z, C oder FK eingruppiert wurde und zur Fertigung von Funktionsbauteilen in Ätzanlagen (egal ob mit oder ohne Plasmaunterstützung), CVD- Anlagen (egal ob mit oder ohne Plasmaunter Stützung) oder anderem Equipment zur Prozessierung von Halbleiterbauelementen verwendet wurde, wies es stets bessere Einsatzcharakteristika auf als traditionelles hochohmiges multikristallines Material. Regardless of whether a high-resistance silicon material evaluated in accordance with the present invention has been categorized into one of Z, C or FK classes and for fabrication of functional components in etching equipment (whether with or without plasma support), CVD equipment (with or without plasma support) or other equipment for processing semiconductor devices, it has always had better performance characteristics than traditional high resistance multicrystalline material.
Für die Halbleiterfertigung geeignetes hochohmiges quasimonokristallines Silizium-Material aus dem CZ- oder FZ-Verfahren ist dem hochohmigen Silizium-Material nach der vorliegender Erfindung hinsichtlich seiner Einsatzcharakteristika nur noch schwach überlegen. High-resistance quasi-monocrystalline silicon material from the CZ or FZ process which is suitable for semiconductor production is only slightly superior to the high-resistance silicon material according to the present invention with regard to its application characteristics.
Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1
In eine G4-Ofenanlage wird ein Tiegel mit Tiegelaufsatz mit einer Gesamthöhe von 760 mm eingebracht. In dem Tiegel befinden sich eine monokristalline oder quasimonokristalline Keimplatte mit einer Länge x Breite von 600 mm x 600 mm und einer Höhe von 40 mm, kristalliner Siliziumrohstoff mit einer Gesamteinwaage von 450 kg. Die Keimplatte wird am Tiegelboden so positioniert, dass umlaufend ein gleichmäßiger Spalt zwischen Keimplatte und Tiegelwand bleibt. Die Ofenanlage besitzt drei Heizzonen: Deckenheizer, Mantelheizer und Bodenheizer. Im unteren Bereich der Anlage befindet sich eine aktive Kühlanordnung, die aus wassergekühlter Kupferplatte und einem darüber sitzenden hochwärmeleitfähigen Graphitblock identischer Geometrieform besteht. Die Kühlanordnung kann über einen Hubmechanismus vertikal verfahren werden und kontaktiert über den Graphitblock die Tiegelaufstellplatte. Die wassergekühlte Cu-Platte und der Graphit besitzen je eine Bohrung am Rand, durch die ein Pyrometer direkt von unten auf die Tiegelaufstellplatte sehen kann. Dieses Pyrometer dient zur Kontrolle der Keimplattentemperatur. Zu Beginn der Schmelzphase befindet sich die Kühlplatte in der unteren Position, und alle Heizer sind aktiv. Das kristalline Silizium wird von oben her aufgeschmolzen. Ab einer bestimmten Temperatur, die dem Schmelzpunkt des Siliziums entspricht, wird die Kühlplatte teilweise nach oben gefahren und die Leistung des Bodenheizers reduziert. Zu diesem Zeitpunkt hat die Kühlplatte noch keinen Kontakt mit der darüber liegenden Tiegelaufstellplatte. Der Bodenheizer umschließt im komplett nach oben gefahrenen Zustand den Graphitzylinder. Während der Schmelzphase wird am Boden gleichzeitig gekühlt und geheizt, um einerseits den Keim nicht vollständig aufzuschmelzen, aber andererseits Wärmeverluste am Rand des Tiegels zu minimieren. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich insbesondere beim Ankeimprozess eine ebene Phasengrenze einstellt. Die vom Pyrometer bestimmte Temperatur am Messort unterhalb der Tiegelaufstellplatte durchläuft bei jedem Prozess ein Minimum, welches als Absolutwert bestimmt und gespeichert wird. Über die Temperaturdifferenz zwischen aktuellem Temperaturwert nach Durchlaufen des Minimums und dem zuvor bestimmten Minimum wird die Höhe der Ankeimstelle festgelegt. Dies entspricht einer Temperaturdifferenz zwischen Messwert und Temperaturminimum von 20 K. Ist diese Differenz erreicht, wird die Kristallisation eingeleitet. Die Ankeimstelle liegt bei einem Keim mit einer Höhe von 40 mm bei dann im Bereich von 15-25 mm über dem Tiegelboden. Um die Kristallisation zu starten, wird die Kühlplatte vollständig an die Tiegelaufstellplatte herangefahren. Über den Kontakt mit der Tiegelaufstellplatte erhöht sich die Wärmeabfuhr nach unten infolge Erhöhung der Kühlleistung von maximal. 0,65W/cm2 auf minimal l,5W/cm2 und die Phasengrenze wandert nach oben. Während der Kristallisation werden zusätzlich alle Heizertemperaturen gemäß einem Temperatur-Zeit-Profil verringert. Ist die Kristallisation abgeschlossen, wird die Abkühlphase eingeleitet. Die Abkühlraten betragen maximal 100 K/h. A crucible with crucible attachment with a total height of 760 mm is placed in a G4 furnace. In the crucible are a monocrystalline or quasi-monocrystalline germ plate with a length x width of 600 mm x 600 mm and a height of 40 mm, crystalline silicon raw material with a total weight of 450 kg. The germination plate is positioned on the crucible bottom in such a way that a uniform gap remains between the germination plate and the crucible wall. The furnace system has three heating zones: ceiling heater, jacket heater and bottom heater. In the lower part of the system is an active cooling arrangement, which consists of water-cooled copper plate and an overlying highly heat-conductive graphite block identical geometry shape. The cooling arrangement can be moved vertically by means of a lifting mechanism and contacts the crucible installation plate via the graphite block. The water-cooled copper plate and the graphite each have a hole at the edge through which a pyrometer can see directly from below on the crucible mounting plate. This pyrometer is used to control the germplasm temperature. At the beginning of the melting phase, the cooling plate is in the lower position and all heaters are active. The crystalline silicon is melted from above. From a certain temperature, which corresponds to the melting point of the silicon, the cooling plate is partially moved up and reduces the performance of the bottom heater. At this time, the cooling plate still has no contact with the overlying crucible mounting plate. Of the Bottom heater encloses the graphite cylinder in the completely upwardly driven state. During the melting phase, the soil is simultaneously cooled and heated to not completely melt the seed but to minimize heat losses at the edge of the crucible. The cooling capacity must be adjusted to the heater temperatures in such a way that, especially during the seeding process, a flat phase boundary is established. The temperature determined by the pyrometer at the measuring location below the crucible setting plate goes through a minimum in each process, which is determined and stored as an absolute value. The temperature difference between the current temperature value after passing through the minimum and the previously determined minimum is used to determine the height of the seeding point. This corresponds to a temperature difference between measured value and temperature minimum of 20 K. If this difference is reached, the crystallization is initiated. The Ankeimstelle lies with a germ with a height of 40 mm and then in the range of 15-25 mm above the crucible bottom. To start the crystallization, the cooling plate is fully moved up to the crucible mounting plate. The contact with the crucible mounting plate increases the heat dissipation downward as a result of an increase in the maximum cooling capacity. 0,65W / cm 2 on minimal l, 5W / cm 2, and the phase boundary moves upwards. During crystallization, all heater temperatures are additionally reduced according to a temperature-time profile. When crystallization is complete, the cooling phase is initiated. The cooling rates are a maximum of 100 K / h.
Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt. Thereafter, the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible.
Auf einer Bandsäge wird der Ingotboden in einer Dicke von 45 mm abgetrennt. Auf diese Weise wird eine Platte gewonnen, die nach einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material und nachfolgender Reinigung erneut als Keim eingesetzt wird. Vom verbliebenen Ingot werden nun Seitenteile derart abgesägt, dass die entstehende Ingot-Grundfläche auf 630 mm x 630 mm verkleinert ist. On a band saw the ingot soil is separated in a thickness of 45 mm. In this way, a plate is recovered, which is used again as a germ after a sandblasting process with suitable material and subsequent cleaning. From the remaining ingot side parts are now sawed off so that the resulting ingot base area is reduced to 630 mm x 630 mm.
Durch Messung des Verlaufs des spezifischen Widerstandes nach dem 4-Spitzen Messverfahren an einer Probe aus einem Seitenteil entlang der Wachstumsrichtung wird bestätigt, dass der durch die Dotierung vorausberechnete Verlauf auch tatsächlich erreicht wurde. By measuring the resistivity profile according to the 4-peak measurement method on a sample from a side part along the growth direction, it is confirmed that the course predicted by the doping has actually been achieved.
Der Ingot wird auf eine Seitenfläche gelegt, und es erfolgt ein Deckelschnitt, der das erfahrungsgemäß infolge Segregation mit Verunreinigungen belastete und daher unbrauchbare Material in geeigneter Dicke entfernt. Damit ist sowohl am Boden als auch am Deckel erkennbar, wie groß der quasimonokristalline Bereich im Zentrum des Ingots ist. The ingot is placed on a side surface, and there is a lid cut, which removes the experience according to segregation contaminated with impurities and therefore useless material of appropriate thickness. This shows how large the quasi-monocrystalline region is in the center of the ingot both on the bottom and on the lid.
Basierend auf diesem Ergebnis und entsprechend den konkreten geometrischen Anforderungen werden Scheiben mit entsprechendem Dickenaufmaß aus dem Ingot herausgeschnitten, die ausreichen, um Blanks für Funktionsbauteile herauszuschneiden. Based on this result and according to the specific geometric requirements, slices with a corresponding thickness allowance are cut out of the ingot, which are sufficient to cut out blanks for functional components.
Unter schräg einfallendem Licht einer Beleuchtungsquelle erfolgt eine Markierung des quasimonokristallinen Bereichs (Zentrumsbereich) der Scheibe. Der außerhalb befindliche Randbereich ist demzufolge der multikristalline Bereich der Scheibe. Der quasimonokristalline Zentrumsbereich wird nunmehr wie weiter vorn bereits beschrieben genauer untersucht, in welcher Anzahl bzw. an welchem Ort innerhalb der quasimonokristallinen Matrix noch Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen vorhanden sein könnten und in welche Klasse FK 1 bis FK5 bzw. ZI bis Z5 dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von hochohmigen optischen Bauteilen oder von hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung geeignet sind, eingruppiert werden. Solche hochohmigen optischen Bauteile oder hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung sind beispielsweise Blanks für optische Bauteile (Linsen, Spiegel) oder für Showerheads oder andere Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung. Abmaße solcher Blanks sind z.B. 0 600 mm x 10 mm bzw. 0 540 mm x 10 mm bzw. 0 300 mm x 6 mm bzw. 0 250 mm x 10 mm. Weiterhin wird dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteilen geeignet erscheinen, mittels rasternden oder bildgebenden Messtechniken (wie MDP, μ-PCD oder PL) untersucht und in die Klassen Cl bis C5 eingeteilt. Under obliquely incident light of a source of illumination is a marking of the quasi-monocrystalline region (center region) of the disc. The outer edge region is therefore the multicrystalline region of the disc. As already described above, the quasi-monocrystalline center region is now being examined in more detail in which number or at what location within the quasi-monocrystalline matrix foreign or twin boundaries could be present and in which class FK 1 to FK 5 or ZI to Z 5 this center region or correspondingly predetermined Areas thereof, which are suitable for the production of high-impedance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing, can be grouped. Such high-resistance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing are, for example, blanks for optical components (lenses, mirrors) or for showerheads or other functional components for systems for semiconductor processing. Dimensions of such blanks are, for example, 0 600 mm × 10 mm or 0 540 mm × 10 mm or 0 300 × 6 mm or 0 250 × 10 mm. Furthermore, this center area or corresponding predetermined areas thereof, which appear suitable for the production of functional components, examined by means of scanning or imaging measurement techniques (such as MDP, μ-PCD or PL) and divided into the classes Cl to C5.
Falls nötig wird aus dem quasimonokristallinen Zentrumsbereich auch noch eine Probe herausgeschnitten, um mittels eines 4-Spitzen-Messplatzes den spezifischen Widerstand zu kontrollieren, d.h. zu bestätigen, dass er z.B. innerhalb des geforderten Bereiches von größer als 5 Ωαη liegt. If necessary, a sample is also cut from the quasi-monocrystalline center region to control the resistivity by means of a 4-peak measuring site, i. to confirm that he e.g. is within the required range of greater than 5 Ωαη.
Entsprechend den Anforderungen an das Blank und anhand des gemessenen spezifischen Widerstandes, der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1-FK5, Z1-Z5 und C1-C5) geeigneten Bereiches des quasimonokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in Fig. 3) für das Blank erfolgt nun das Herausarbeiten des Blanks aus der Scheibe. Die Blankoberfläche entspricht nun einer neu definierten Prüfoberfläche, für die die Klassifizierung gilt. Sind Blanks für mehrere gleichartige oder verschiedene Bauteile gefordert, wird entsprechend Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 eine Optimierung vorgenommen, die auf den geometrischen Abmessungen und den lokal unterschiedlichen Klassifizierungsergebnissen der quasimonokristallinen Bereiche entnommener Scheiben basiert. Ausführungsbeispiel 2 According to the requirements of the blank and based on the measured resistivity, the selection of a range of dimensions and classification (FK1-FK5, Z1-Z5 and C1-C5) suitable range of the quasi-monocrystalline center region A (see example in Fig. 3) for the blank Now work out the blanks from the disc. The blank surface now corresponds to a newly defined test surface for which the classification applies. If blanks are required for a plurality of identical or different components, an optimization based on the geometrical dimensions and the locally different classification results of the quasi-monocrystalline regions of removed slices is carried out according to FIGS. 1, 2 and 3. Embodiment 2
In eine G5-VGF-Ofenanlage wird ein Tiegel mit Tiegelaufsatz mit einer Gesamthöhe von 780 mm eingebracht. In den Tiegel wird eine ebene Keimunterlage aus Silizium eingebracht, auf der eine Mehrzahl von Silizium-Keimplatten in einer Schicht angeordnet werden. Die Dicke der Keimunterlage beträgt 5 bis 20mm, wobei 10 bis 20 mm bevorzugt sind. Die Keimplatten werden aus quasimonokristallinen Bereichen vorangegangener Ingots horizontal in einer Dicke von 45mm herausgeschnitten. Die Stoßflächen der Keimplatten oder zusätzlich noch mindestens eine weitere Fläche sind geschliffen. Dabei werden die Stoßflächen benachbarter Keimplatten derart rechtwinklig geschliffen, dass bei Verwendung von drei oder mehr Keimplatten die Breite der entstehenden Spalte (von oben betrachtet) möglichst gering ist. Dabei ist von gleichrangiger Bedeutung, dass auch während des Anschmelzens der Keimplatten keine Spalte entstehen. Das heißt, dass auch bei seitlicher (horizontaler) Betrachtung der Keimplatte die geschliffenen Stoßflächen einen rechten Winkel aufweisen. Nach dem Schleifen weisen die geschliffenen Flächen(insbesondere die Kantenflächen) eine Rauigkeit von Rz gemäß DIN 4762 von kleiner als ΙΟΟμιη, bevorzugter kleiner als ΙΟμιη und besonders bevorzugt kleiner als 5μιη auf und ist deren Winkligkeit sowohl vertikal betrachtet als auch horizontal betrachtet so gut, dass während des Auslegens der Keimplatten und während des Anschmelzens der Keimplatten entstehende Spalte zwischen unmittelbar benachbarten Keimplatten an jeder Stelle kleiner 1 mm, bevorzugter kleiner 0,1 mm und noch bevorzugter kleiner 0,01 mm sind. Durch diese vorgegebene Passgenauigkeit weist das erfindungsgemäß zu züchtende Silizium-Material insgesamt keine an Keimstößen entstehenden Zwillingskörner (Stoßzwillinge) auf. In a G5-VGF furnace plant, a crucible with crucible attachment with a total height of 780 mm is introduced. In the crucible, a planar seed pad made of silicon is introduced, on which a plurality of silicon seed plates are arranged in a layer. The thickness of the seed pad is 5 to 20mm, with 10 to 20mm being preferred. The germplates are cut horizontally from quasi-monocrystalline areas of previous ingots to a thickness of 45mm. The abutting surfaces of the germ plates or additionally at least one further surface are ground. The abutment surfaces of adjacent germination plates are ground at right angles so that when using three or three more germ plates the width of the resulting column (viewed from above) is as low as possible. It is of equal importance that even during the melting of the germ plates no column arise. This means that even with a lateral (horizontal) view of the germ plate, the ground abutment surfaces have a right angle. After grinding, the ground surfaces (in particular the edge surfaces) have a roughness of Rz according to DIN 4762 of less than ΙΟΟμιη, more preferably less than ΙΟμιη and particularly preferably less than 5μιη and their angularity is considered both vertically and horizontally so good that gaps formed during the laying out of the germination plates and during the melting of the germination plates between immediately adjacent germinal plates are smaller than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm, and more preferably less than 0.01 mm, at each point. Due to this predetermined accuracy of fit, the silicon material to be grown according to the invention does not have any twin grains (shock twins) which are formed on germ buds.
Auf die Keimschicht wird kristalliner Siliziumrohstoff einer Gesamteinwaage von 700 kg eingefüllt. Die Keimschicht ist so dimensioniert und auf der Keimaufstellplatte positioniert, dass umlaufend ein Spalt von ca. 20 mm bleibt. Ihre nach oben oder ggf. zusätzlich nach unten zeigende Oberfläche ist in einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material aufgeraut. Darüber und in den Spalt zwischen Keimplatte und Tiegelwand wird polykristalliner Siliziumrohstoff gefüllt. Der Si- Rohstoff besitzt mindestens 7N-Reinheit. Um den geforderten Gehalt von maximal 2,5 * 1015/cm3 für Donatoren nicht zu unterschreiten und trotzdem n- leitendes Material zu erhalten, muss die Menge an, durch Verschmutzung eingebrachte Akzeptoren in Höhe von 1 * 1015/cm3 durch die Zugabe von 38 mg Phosphor auf 700 kg Si kompensiert werden. On the seed layer, crystalline silicon raw material of a total weight of 700 kg is filled. The seed layer is dimensioned and positioned on the microplate so that there is a gap of approx. 20 mm all around. Their upwards or, if necessary, additionally downwards pointing surface is roughened in a sandblasting process with suitable material. Above and into the gap between germ plate and crucible wall polycrystalline silicon raw material is filled. The Si raw material has at least 7N purity. In order not to fall below the required content of a maximum of 2.5 * 10 15 / cm 3 for donors and still receive n-conducting material, the amount of introduced by pollution acceptors in the amount of 1 * 10 15 / cm 3 by the Addition of 38 mg of phosphorus to 700 kg of Si can be compensated.
Die Ofenanlage ist eine Mehrzonenofenanlage mit insgesamt vier temperaturgeregelten Heizzonen: Deckenheizer, Mantelheizer oben, Mantelheizer unten und Bodenheizer. Unter der Tiegelaufstellplatte befindet sich eine aktive Kühleinrichtung. Als Kühlmedium wird gasförmiger Stickstoff verwendet. Die Abmessungen der Kühleinrichtung (Länge, Breite) entsprechen mindestens den Abmessungen der Tiegelaufstellplatte. Unterhalb der Tiegelaufstellplatte im randnahen Bereich des Tiegels befindet sich ein Thermoelement zur Kontrolle der Keimplattentemperatur. Dieses Thermoelement wird von unten in einem Schutzrohr in die Kühleinrichtung geführt, welche aus einem gut wärmeleitenden Graphit besteht. Das Schutzrohr stößt von unten an die darüber liegende Graphitplatte. Auf dieser Graphitplatte aufliegend befinden sich die Tiegelaufstellplatte aus Graphit und darüber der Tiegel. The kiln plant is a multi-zone kiln plant with a total of four temperature-controlled heating zones: ceiling heaters, overhead heaters, bottom heaters and bottom heaters. Under the crucible mounting plate is an active cooling device. The cooling medium used is gaseous nitrogen. The dimensions of the cooling device (length, width) correspond at least to the dimensions of the crucible mounting plate. There is a thermocouple to control the temperature of the seedplate below the crucible shelf near the edge of the crucible. This thermocouple is guided from below in a protective tube in the cooling device, which consists of a good thermal conductivity graphite. The protective tube abuts the overlying graphite plate from below. On top of this graphite plate are the crucible mounting plate made of graphite and above it the crucible.
Der Aufschmelzprozess ist wie es Fig. 9 zeigt so gestaltet, dass der Siliziumrohstoff von oben her aufgeschmolzen und die Silizium-Keimplatte nur teilweise angeschmolzen wird. Hierfür wird ein Temperaturprofil eingestellt, welches VGF-typisch am Deckenheizer eine höhere Temperatur als am Bodenheizer aufweist. Während der Aufschmelzphase ist der Bodenheizer nur in der Aufheizphase im Betrieb und wird zum Zeitpunkt tls dem Erreichen der der Schmelztemperatur des Siliziums, abgeschaltet, um ein Aufschmelzen des quasimonokristallinen Keimes zu verhindern. Zuvor wird ab dem Erreichen von ca. 1400 C am Seitenheizer die Gaskühlung aktiviert. Die Kühlleistung muss den Heizertemperaturen so angepasst sein, dass sich insbesondere beim Ankeimprozess eine ebene Phasengrenze einstellt. Auch nach Aktivierung der Gaskühlung schmilzt der kristalline Siliziumrohstoff oberhalb der Keimplatte infolge der weiterhin auf einen vordefinierten Temperaturwert gehaltenen Decken- und Seitenheizer weiterhin auf. Die Temperatur an der Messstelle unterhalb der Tiegelaufstellplatte durchläuft bei jedem Prozess ein in Fig. 9 erkennbares Minimum, welches als Absolutwert bestimmt und gespeichert wird. Die Gesamtheizleistung sinkt im gleichen Zeitabschnitt zwangsläufig weiter kontinuierlich ab. An der Temperatur des Thermoelementes bzw. exakter durch die Temperaturdifferenz zwischen aktuellem Messwert und dem zuvor gespeichertem Temperaturminimum, kann die Höhe der Ankeimstelle bestimmt werden. Bei einem Keim mit der Höhe 45 mm liegt die Ankeimstelle idealerweise im Bereich von 25 mm bis 35 mm über dem Tiegelboden. Dies entspricht einer Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen Messwert und Temperaturminimum von 8 K -12 K. Ist diese Differenzzum Zeitpunkt t2(siehe Fig 9)erreicht, wird die Kristallisation eingeleitet. Dabei können zwischen Temperaturminimum und Start der Kristallisation mehrere Stunden liegen. Die Kristallisation wird zum einen über eine Erhöhung der Kühlleistung der Gaskühlung und zum anderen über ein geregeltes Temperatur-Zeit-Profil der aktiven Heizer initiiert. Hierbei wird die Kühlleistung rasch erhöht, z.B. von maximal 5 kW(spezifisch betrachtet maximal 0,65W/cm2)auf mindestens 15 kW(spezifisch betrachtet maximal 1,5 W/cm2), um ein Durchschmelzen des Keimes zu verhindern. Die Temperaturen der Heizzonen werden langsam verringert. Die Abkühlraten liegen im Bereich von -0,4 K/h bis - 15 K/h. Durch entsprechende Wahl der Heizertemperaturen und der Kühlleistung wird eine konvexe Phasengrenze im Zentrum eingestellt, die den polykristallinen Randbereich weiter nach außen drängt bzw. dort ein vertikales kolumnares Wachstum unterstützt. Ist der Ingot fertig kristallisiert, beginnt die Abkühlphase. Während der Abkühlphase werden die Heizer über ein weiteres Temperatur-Zeit-Profil geregelt. Die Abkühlraten betragen -10 K/h bis - 80 K/h. The melting process, as shown in FIG. 9, is designed such that the silicon raw material is melted from above and the silicon germination plate is only partially melted. For this purpose, a temperature profile is set, which typically has a higher temperature on the ceiling heater than on the bottom heater. During the melting phase, the bottom heater is in operation only in the heating phase and is switched off at the time t ls reaching the melting temperature of the silicon, in order to prevent melting of the quasi-monocrystalline nucleus. Previously, the gas cooling is activated from reaching about 1400 C on the side heater. The cooling capacity must be the heater temperatures so be adapted that sets in particular during Ankeimprozess a flat phase boundary. Even after activation of the gas cooling, the crystalline silicon raw material continues to melt above the germplate as a result of the ceiling and side heaters, which continue to be held at a predefined temperature value. The temperature at the measuring point below the crucible setting plate goes through a recognizable minimum in each process in Fig. 9, which is determined and stored as an absolute value. The total heating power inevitably decreases continuously in the same period of time. At the temperature of the thermocouple or more precisely by the temperature difference between the current measured value and the previously stored temperature minimum, the height of the Ankeimstelle can be determined. In the case of a germ of 45 mm height, the germination site is ideally in the range of 25 mm to 35 mm above the crucible bottom. This corresponds to a temperature difference ΔΤ between measured value and temperature minimum of 8 K-12 K. If this difference is reached at time t 2 (see FIG. 9), the crystallization is initiated. It can be several hours between temperature minimum and start of crystallization. The crystallization is initiated on the one hand by increasing the cooling capacity of the gas cooling and on the other hand via a controlled temperature-time profile of the active heater. In this case, the cooling capacity is rapidly increased, for example, from a maximum of 5 kW (specifically, a maximum of 0.65W / cm 2 ) to at least 15 kW (specifically, a maximum of 1.5 W / cm 2 considered ) to prevent melting of the germ. The temperatures of the heating zones are slowly reduced. The cooling rates are in the range of -0.4 K / h to - 15 K / h. By appropriate selection of the heater temperatures and the cooling capacity, a convex phase boundary is set in the center, which pushes the polycrystalline edge region further outward or supports a vertical columnar growth there. When the ingot has finished crystallizing, the cooling phase begins. During the cooling phase, the heaters are controlled by a further temperature-time profile. The cooling rates are -10 K / h to -80 K / h.
Danach wird der Ingot aus der Kristallisationsanlage entnommen und vom Tiegel entformt. Auf einer Bandsäge wird der Ingotboden in einer Dicke von 45 mm abgetrennt. Auf diese Weise wird eine Platte gewonnen, die nach einem Sandstrahlprozess mit geeignetem Material und nachfolgender Reinigung erneut als Keim eingesetzt werden kann. Vom verbliebenen Ingot werden nun Seitenteile derart abgesägt, dass die entstehende Ingot-Grundfläche auf 780 mm x 780 mm verkleinert ist. Thereafter, the ingot is removed from the crystallization unit and removed from the crucible. On a band saw the ingot soil is separated in a thickness of 45 mm. In this way, a plate is obtained, which can be used again as a germ after a sandblasting process with suitable material and subsequent cleaning. From the remaining ingot side parts are now sawed off so that the resulting ingot base area is reduced to 780 mm x 780 mm.
Durch Messung des Verlaufs des spezifischen Widerstandes an einem Seitenteil entlang der Wachstumsrichtung wird bestätigt, dass der durch die Dotierung vorausberechnete Verlauf auch tatsächlich erreicht wurde. Der Ingot wird auf eine Seitenfläche gelegt, und es erfolgt ein Deckelschnitt, der das erfahrungsgemäß infolge Segregation mit Verunreinigungen belastete und daher unbrauchbare Material in geeigneter Dicke entfernt. Damit ist sowohl am Boden als auch am Deckel erkennbar, wie groß der quasimonokristalline Bereich im Zentrum des Ingots ist. By measuring the profile of the resistivity at a side part along the growth direction, it is confirmed that the course predicted by the doping has actually been achieved. The ingot is placed on a side surface, and there is a lid cut, which removes the experience according to segregation contaminated with impurities and therefore useless material of appropriate thickness. This shows how large the quasi-monocrystalline region is in the center of the ingot both on the bottom and on the lid.
Basierend auf diesem Ergebnis und entsprechend den konkreten geometrischen Anforderungen werden Scheiben mit entsprechendem Dickenaufmaß aus dem Ingot herausgeschnitten, die ausreichen, um aus ihrem quasimonokristallinem Volumen Blanks für Funktionsbauteile für Anlagen für die Halbleiterprozessierung (insbesondere zur Herstellung von sog. Showerheads) herauszuschneiden. Unter schräg einfallendem Licht einer Beleuchtungsquelle erfolgt eine Markierung des quasimonokristallinen Bereichs (Zentrumsbereich) der Scheibe. Der außerhalb befindliche Randbereich ist demzufolge der multikristalline Bereich der Scheibe. Based on this result and according to the specific geometric requirements, slices with a corresponding thickness allowance are removed from the ingot cut out from their quasi-monocrystalline volume blanks for functional components for equipment for semiconductor processing (especially for the production of so-called showerheads) cut out. Under obliquely incident light of a source of illumination is a marking of the quasi-monocrystalline region (center region) of the disc. The outer edge region is therefore the multicrystalline region of the disc.
Der quasimonokristalline Zentrumsbereich wird nunmehr wie weiter vorn bereits beschrieben genauer untersucht, in welcher Anzahl bzw. an welchem Ort innerhalb der quasimonokristallinen Matrix noch Fremdkörner oder Zwillingsgrenzen vorhanden sein könnten und in welche Klasse FK 1 bis FK5 bzw. ZI bis Z5 dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von hochohmigen optischen Bauteilen oder von hochohmigen Funktionsbauteilen für Anlagen zur Halbleiterprozessierung geeignet sind, eingruppiert werden. Solche hochohmigen optischen Bauteile oder hochohmigen Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung sind beispielsweise Blanks für runde bzw. hochohmige optischen Bauteile (z.B. Spiegel, Linsen) oder hochohmige Funktionsbauteile für Anlagen zur Halbleiterprozessierung (insbesondere Showerheads) der Abmaße 0 600 mm x 10 mm bzw. 0 540 mm x 10 mm bzw. 0 300 mm x 6 mm bzw. 0 250 mm x 10 mm. As already described above, the quasi-monocrystalline center region is now being examined in more detail in which number or at what location within the quasi-monocrystalline matrix foreign or twin boundaries could be present and in which class FK 1 to FK 5 or ZI to Z 5 this center region or correspondingly predetermined Areas thereof, which are suitable for the production of high-impedance optical components or high-impedance functional components for systems for semiconductor processing, can be grouped. Such high-resistance optical components or high-resistance functional components for systems for semiconductor processing are, for example, blanks for round or high-impedance optical components (eg mirrors, lenses) or high-resistance functional components for systems for semiconductor processing (in particular showerheads) of the dimensions 0 600 mm × 10 mm or 0 540 mm x 10 mm or 0 300 mm x 6 mm or 0 250 mm x 10 mm.
Weiterhin wird dieser Zentrumsbereich oder entsprechend vorgegebene Areale daraus, die zur Fertigung von Funktionsbauteilen geeignet erscheinen, mittels rasternden oder bildgebenden Messtechniken (wie MDP, μ-PCD oder PL) untersucht und in die Klassen Cl bis C5 eingeteilt. Furthermore, this center area or corresponding predetermined areas thereof, which appear suitable for the production of functional components, examined by means of scanning or imaging measurement techniques (such as MDP, μ-PCD or PL) and divided into the classes Cl to C5.
Falls nötig wird aus dem quasimonokristallinem Zentrumsbereich auch noch eine Probe herausgeschnitten, um mittels eines 4-Spitzen-Messplatzes den spezifischen Widerstand zu kontrollieren, d.h. zu bestätigen, dass er z.B. innerhalb des geforderten Bereiches von größer als 5 Ωαη liegt. If necessary, a sample is also cut out of the quasi-monocrystalline center region to control the resistivity by means of a 4-peak measuring site, i. to confirm that he e.g. is within the required range of greater than 5 Ωαη.
Entsprechend den Anforderungen an das Blank und anhand des gemessenen spezifischen Widerstandes, der Auswahl eines bezüglich Abmessungen und Klassifizierung (FK1-FK5, Z1-Z5 und C1-C5) geeigneten Bereiches des quasimonokristallinen Zentrumsbereiches A (siehe Beispiel in Fig. 3) für das Blank erfolgt nun das Herausarbeiten des Blanks aus der Scheibe. Die Blankoberfläche entspricht nun einer neu definierten Prüfoberfläche, für die die Klassifizierung gilt. According to the requirements of the blank and based on the measured resistivity, the selection of a range of dimensions and classification (FK1-FK5, Z1-Z5 and C1-C5) suitable range of the quasi-monocrystalline center region A (see example in Fig. 3) for the blank Now work out the blanks from the disc. The blank surface now corresponds to a newly defined test surface for which the classification applies.
Sind Blanks für mehrere gleichartige oder verschiedene Bauteile gefordert, wird entsprechend Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 eine Optimierung vorgenommen, die auf den geometrischen Abmessungen und den lokal unterschiedlichen Klassifizierungsergebnissen der quasimonokristallinen Bereiche entnommener Scheiben basiert. Das quasimonokristalline Si-Material, das in der geometrischen Form eines Blanks wie vorstehend beschrieben gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt und charakterisiert wird, ist insbesondere für If blanks are required for a plurality of identical or different components, an optimization based on the geometrical dimensions and the locally different classification results of the quasi-monocrystalline regions of removed slices is carried out according to FIGS. 1, 2 and 3. The quasi-monocrystalline Si material prepared and characterized in the geometric shape of a blank as described above according to the method of the invention is particularly suitable for
a) als Blank für optische Bauteile oder Bauelemente für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 um bis 10 μιη, bevorzugter im Bereich 1,4 μιη bis 8 μιη, besonders bevorzugter Bereich 2 μιη bis 5 μιη. Derartige Bauteile oder Bauelemente können sein:  a) as a blank for optical components or components for applications in the infrared spectral range, in particular in the range 1.4 to 10 μιη, more preferably in the range 1.4 μιη to 8 μιη, particularly preferred range 2 μιη to 5 μιη. Such components or components may be:
Abbildende Bauelemente, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Prismen oder Scheiben, die weiterhin auch mit reflektierenden oder diffraktiven Strukturen oder Beschichtungen versehen sein können.  Imaging components, such as lenses, mirrors, prisms or disks, which may also be provided with reflective or diffractive structures or coatings.
b) als Blank für Bauteile zur Verwendung in Anlagen zur Halbleiterprozessierung.  b) as blank for components for use in semiconductor processing equipment.
Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist eine Elektrodenplatte (auch als Showerhead oder Electrode Plate oder Gas Distribution Plate bezeichnet) , wie sie in der Halbleiterprozessierung beispielsweise zur Verteilung von Gasen in Plasmaätzanlagen, Plasmareinigungsanlagen oder in CVD-Anlagen(Chemical Vapour Deposition) verwendet wird, wie beispielsweise in der US 2005/0173569 AI oder US 2001/0076401 AI offenbart, deren gesamter Inhalt diesbezüglich hiermit im Wege der Bezugnahme mit aufgenommen sei.  An example of such a component is an electrode plate (also referred to as a showerhead or electrode plate or gas distribution plate), as used in semiconductor processing, for example, for the distribution of gases in plasma etching, plasma cleaning or CVD (Chemical Vapor Deposition) systems, as disclosed, for example, in US 2005/0173569 A1 or US 2001/0076401 Al, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.
Zusammenfassend wird somit ein Blank, wie vorstehend beschrieben, ein Verfahren zu dessen Herstellung, wie vorstehend beschrieben, sowie dessen Verwendung für optische Bauteile aus quasimonokristallinem Silizium für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μιη bis 10 μιη, bevorzugter im Bereich 1,4 μιη bis 8 μιη, besonders bevorzugter Bereich 2 μιη bis 5 μιη und für Bauteile aus quasimonokristallinem Silizium in Anlagen zur Prozessierung von Halbleitern, wie vorstehend beschrieben, offenbart. In summary, a blank, as described above, a method for its production, as described above, and its use for optical components of quasi-monocrystalline silicon for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 μιη to 10 μιη, more preferably in the range , 4 μιη to 8 μιη, particularly preferred range 2 μιη to 5 μιη and disclosed for components of quasi-monocrystalline silicon in plants for processing of semiconductors, as described above.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Vorrichtung zum gerichteten Erstarren 1 Device for directed solidification
2 Behälter  2 containers
3 Boden  3 floor
4 Seitenwand  4 side wall
5 Längsrichtung  5 longitudinal direction
6 S ilizium- S chmelze  6 silicon melt
10 Keimschicht  10 germ layer
11 Keimplatte  11 germ plate
12 Spalt  12 gap
13 Keimunterlage  13 germ support
14 Tiegelaufstellplatte  14 crucible mounting plate
15 Kühleinrichtung / Gaskühler  15 cooling device / gas cooler
16 Thermoelement mit Schutzrohr  16 thermocouple with protective tube
17 Bodenheizer  17 floor heaters
Abstand zwischen Ort des Thermoelements 16 und der Mitte des Behälters 2 Distance between the location of the thermocouple 16 and the center of the container 2

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Verfahren zur Herstellung eines Blanks aus quasimonokristallinem Silizium mit einer vorbestimmten Dicke aus einem Silizium-Ingot, für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads, mit den folgenden Schritten: Method for producing a quasi-monocrystalline silicon blank having a predetermined thickness from a silicon ingot, for optical components for applications in the infrared spectral range or for functional components in semiconductor processing systems, in particular for showerheads, comprising the following steps:
Bereitstellen eines Behälters (2) zur Aufnahme einer Silizium-Schmelze (6) mit einem Boden (3) und mindestens einer Seitenwand (4);  Providing a container (2) for receiving a silicon melt (6) having a bottom (3) and at least one side wall (4);
Anordnen einer Keimschicht (10) am Boden des Behälters;  Placing a seed layer (10) at the bottom of the container;
Bereitstellen der Silizium- Schmelze (6) im Behälter unter Anschmelzen der Keimschicht; und  Providing the silicon melt (6) in the container while melting the seed layer; and
gerichtetes Erstarren der Silizium-Schmelze in dem Behälter zu dem Silizium-Ingot; wobei  directionally solidifying the silicon melt in the container to the silicon ingot; in which
nach Abkühlung des Silizium-Ingots und dessen Entformung aus dem Schmelztiegel ein Bodenabschnitt, Mantelabschnitt und oberer Abschnitt des Silizium-Ingots abgetrennt werden, um einen Ingotkern zu erhalten;  after cooling the silicon ingot and removing it from the crucible, a bottom portion, skirt portion and upper portion of the silicon ingot are separated to obtain an ingot core;
der spezifische Widerstand des Ingotkerns in Abhängigkeit von dessen Höhenkoordinate an einer seiner Außenseiten gemessen wird, um einen brauchbaren Höhenbereich zum Heraustrennen eines Blanks festzulegen;  the specific resistance of the ingot core is measured in dependence on its height coordinate on one of its outer sides in order to determine a usable height range for cutting out a blank;
eine monokristalline Prüfoberfläche auf der Oberfläche des Ingotkerns oder einer von diesem horizontal abgetrennten Scheibe festgelegt wird, die gleich dick oder dicker als die vorbestimmte Dicke des herzustellenden Blanks ist;  setting a monocrystalline test surface on the surface of the ingot core or a slice separated therefrom which is equal to or thicker than the predetermined thickness of the blank to be produced;
die Prüfoberfläche hinsichtlich Gehalt, Verteilung und/oder Qualitätsrelevanz von zumindest einer der Größen: Fremdkörnern, Zwillingsgrenzen oder Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen geprüft und bewertet wird;  the test surface is examined and evaluated in terms of content, distribution and / or quality relevance of at least one of the following: foreign grains, twin boundaries or clusters of dislocations or small-angle grain boundaries;
das Blank oder ein für Blanks geeignetes Volumen aus dem quasimonokristallinen Bereich der Scheibe so herausgetrennt wird, dass das herausgetrennte Blank oder das für Blanks geeignete Volumen in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 bis kleiner 1 x 106 cm~2 aufweist und wobei das herausgetrennte Blank einen spezifischen Widerstand von größer als 5 Qcm aufweist. the blank or blanks-suitable volume is separated from the quasi-monocrystalline region of the disc so that the blank removed or the volumes suitable for blanks in areas on its top or bottom containing no clusters of dislocations or small-angle grain boundaries, a concentration of discrete dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 to less than 1 x 10 6 cm 2 and wherein the cut-out blank has a specific resistance of greater than 5 Ωcm.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blank oder das für Blanks geeignete Volumen so aus dem quasimonokristallinen Bereich der Scheibe herausgetrennt wird, dass auf seiner Ober- oder Unterseite zusätzlich zu den Bereichen, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, weiterhin Bereiche enthalten sind, die Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten und weder visuell erkennbaren Zwillingsgrenzen(Klasse ZI) noch visuell erkennbaren Fremdkörner(Klasse FK1) enthalten. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf der Ober- oder Unterseite des Blanks oder des für Blanks geeigneten Volumens Fremdkörner einer Größe kleiner 50 mm2 und/oder Zwillingsgrenzen enthalten sind. The method of claim 1, wherein the blank or volumes suitable for blanks are separated from the quasi-monocrystalline region of the disk such that regions are still included on its top or bottom in addition to the regions which do not contain clusters of dislocations or small angle grain boundaries. Containing clusters of dislocations or small angle grain boundaries and containing neither visually identifiable twin boundaries (Class ZI) nor visually identifiable foreign grains (Class FK1). A method according to claim 1 or 2, wherein on the top or bottom of the blank or the volume suitable for blanks foreign grains of a size less than 50 mm 2 and / or twin boundaries are included.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Ober- oder Unterseite des Blanks oder des für Blanks geeigneten Volumens eine Kombination der Klasse des Fehlers Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen (Klasse Cl bis Klasse C5) mit einer Klasse des Fehlers Fremdkörner (Klasse FK2 bis Klasse FK5) oder einer Klasse des Fehlers Zwillingsgrenzen (Klasse Z2 bis Klasse Z5) vorgesehen sind. Method according to one of the preceding claims, wherein on the top or bottom of the blanks or the volume suitable for blanks a combination of the class of the error clusters of dislocations or small-angle grain boundaries (class Cl to class C5) with a class of foreign matter defects (class FK2 to Class FK5) or a class of error Twin Limits (Class Z2 to Class Z5) are provided.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Ober- oder Unterseite des Blanks oder des für Blanks geeigneten Volumens Kombinationen aller drei Klassen der Fehler aus Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen (Klasse Cl bis Klasse C5), Fremdkörnern (Klasse FK1 bis Klasse FK5) und Zwillingsgrenzen (Klasse ZI bis Klasse Z5) vorgesehen sind. Method according to one of the preceding claims, wherein combinations of all three classes of defects on the top or bottom of the blank or the blank suitable for blanks from clusters of dislocations or small-angle grain boundaries (class Cl to class C5), foreign grains (class FK1 to class FK5) and twin borders (Class ZI to Class Z5).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend die Schritte: Method according to one of the preceding claims, further comprising the steps:
Anordnen einer ebenen Keimunterlage (13) auf einem Boden (3) des Behälters (2), um diesen vollständig zu bedecken; und  Placing a planar seed pad (13) on a bottom (3) of the container (2) to completely cover it; and
Anordnen der Keimschicht (10) auf einer Oberseite der Keimunterlage (13); wobei zumindest die Oberseite der ebenen Keimunterlage (13) bearbeitet ist, insbesondere der Qualität nach einem Sägeschnitt entspricht oder plan geschliffen ist, um eine ebene Oberfläche auszubilden, auf welcher die Keimschicht (10) ohne Ausbildung von Hohloder Zwischenräumen angeordnet wird.  Arranging the seed layer (10) on an upper surface of the seed pad (13); wherein at least the upper surface of the planar seed pad (13) is machined, in particular of the quality of a saw cut, or ground flat to form a planar surface on which the seed layer (10) is placed without the formation of any hollow spaces.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Keimschicht (10) als einstückige Keimplatte ausgebildet ist, die die Keimunterlage (13) auf dem Boden (3) des Behälters (2) im Wesentlichen vollständig bedeckt, oder wobei die Keimschicht (10) aus einer Mehrzahl von Keimplatten (11) ausgebildet wird, die unmittelbar aneinander angrenzend auf der Keimunterlage (13) auf dem Boden (3) des Behälters (2) angeordnet werden, um die Keimunterlage (13) auf dem Boden (3) des Behälters (2) im Wesentlichen vollständig zu bedecken. The method of claim 6, wherein the seed layer (10) is formed as a one-piece seed plate substantially completely covering the seed pad (13) on the bottom (3) of the container (2), or wherein the seed layer (10) is made up of a plurality of Germial plates (11) are formed, which are arranged directly adjacent to each other on the germ support (13) on the bottom (3) of the container (2) to the germ support (13) on the bottom (3) of the container (2) substantially completely cover.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Mehrzahl von Keimplatten (11) aus einem Silizium-Ingot herausgetrennt werden, der in einem vorhergehenden Prozess durch gerichtetes Erstarren einer Silizium-Schmelze nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt wurde. The method of claim 7, wherein the plurality of seed plates (11) are separated from a silicon ingot produced in a previous process by directional solidification of a silicon melt by a process according to any one of claims 1 to 6.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Flächen der auf der ebenen Keimunterlage angeordneten Mehrzahl von Keimplatten (11) komplett oder teilweise geschliffen sind und eine Rauigkeit von Rz gemäß DIN 4762 von kleiner als ΙΟΟμιη, bevorzugter kleiner alsl0μm und besonders bevorzugt kleiner als 5μιη aufweisen und wobei deren Winkligkeit so gut ist, dass entstehende Spalte (12) zwischen unmittelbar benachbarten Keimplatten an jeder Stelle kleiner 1 mm, bevorzugter kleiner 0,1 mm und noch bevorzugter kleiner 0,01 mm sind. The method of claim 7 or 8, wherein the surfaces of the plurality of seed plates (11) arranged on the planar seed support are completely or partially ground and have a roughness of Rz according to DIN 4762 of less than ΙΟΟμιη, more preferably less than l0μm and more preferably less than 5μιη and wherein their angularity is so good that the resulting gap (12) between immediately adjacent Germplates at each location are less than 1 mm, more preferably less than 0.1 mm, and more preferably less than 0.01 mm.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Behälters (2) oder der darin aufgenommenen Silizium-Schmelze (6) mit Hilfe eines10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the temperature of the container (2) or received therein silicon melt (6) by means of a
Temperatur-Sensors (16), insbesondere mit Hilfe eines Thermoelementes überwacht und gesteuert wird, die außermittig in einer Tiegelaufstellplatte (14) angeordnet ist, auf welcher der Behälter (2) angeordnet ist. 11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Tiegelaufstellplatte (14) aus Graphit ausgebildet ist und wobei der Temperatur-Sensor (16) in einer radialen Entfernung vom Zentrum des Tiegelboden, die der Hälfte des Durchmessers des Behälters (2), sofern dieser rund ausgebildet ist, oder die der Hälfte einer Kantenlänge des Behälters (2) entspricht, sofern dieser eine quadratische Grundfläche aufweist, insbesondere mit einer Toleranz von +30mm und - 100mm. Temperature sensor (16), in particular by means of a thermocouple is monitored and controlled, which is arranged off-center in a crucible setting plate (14) on which the container (2) is arranged. 11. The method of claim 10, wherein the crucible setting plate (14) is formed of graphite and wherein the temperature sensor (16) at a radial distance from the center of the crucible bottom, which is half the diameter of the container (2), if this formed round is, or which corresponds to half an edge length of the container (2), provided that it has a square base, in particular with a tolerance of + 30mm and - 100mm.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Behälter (2) mittels eines Bodenheizers zum Heizen des Bodens (3) des Behälters (2), mittels zumindest einen Mantelheizers zum Heizen von Seitenflächen des Behälters (2) und eines Deckelheizers zum Heizen eines oberen Endes des Behälters (2) geheizt wird und wobei die Temperatur des Behälters (2) oder der darin aufgenommenen Silizium-Schmelze (6) gesteuert wird, indem 12. The method according to claim 9 or 10, wherein the container (2) by means of a bottom heater for heating the bottom (3) of the container (2), by means of at least one jacket heater for heating side surfaces of the container (2) and a lid heater for heating a is heated at the upper end of the container (2) and wherein the temperature of the container (2) or the silicon melt (6) received therein is controlled by
der Bodenheizer bis zum Erreichen der Schmelztemperatur des Siliziums betrieben wird,  the bottom heater is operated until reaching the melting temperature of the silicon,
der Bodenheizers bei Erreichen der Schmelztemperatur des Siliziums abgeschaltet wird, während der Mantelheizer und Deckelheizer weiterhin betrieben werden und gleichzeitig ein Bodenkühler mit einer Kühlleistung von maximal 0,65W/cm2 zugeschaltet wird, und the bottom heater is switched off when the melting temperature of the silicon is reached, while the jacket heater and lid heater continue to operate and at the same time a bottom cooler with a maximum cooling power of 0.65W / cm 2 is switched on, and
eine Kristallisationsphase der in dem Behälter aufgeschmolzenen Silizium-Schmelze (6) durch Erhöhung der Kühlleistung von maximal 0,65 W/cm2 auf minimal l,5W/cm2 eingeleitet wird, sobald die am Thermoelement (16) an der Tiegelaufstellplatte (14) gemessene Temperatur nach Durchlaufen eines sich durch das Abschalten des Bodenheizers und das Zuschalten des Bodenkühlers einstellenden Minimums um eine Temperaturdifferenz (ΔΤ) von 5 K bis 25 K über dieses Minimum wieder angestiegen ist. a crystallization phase of the molten silicon melt melted in the container (6) by increasing the cooling power of a maximum of 0.65 W / cm 2 to a minimum of l, 5W / cm 2 is initiated as soon as the on the thermocouple (16) on the crucible mounting plate (14) measured temperature has risen again by a minimum temperature difference (ΔΤ) of 5 K to 25 K after passing through a by the switching off of the bottom heater and the connection of the bottom cooler minimum.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für eine visuelle Detektion von Zwillingsgrenzen und Fremdkörnern auf dem herausgetrennten Blank oder dem für Blanks geeigneten Volumen ein Einstrahlwinkel einer Lichtquelle zur zu beurteilenden Fläche einen Winkelbereich von 10° bis 75° überstreicht und die Lichtquelle azimutal in 10°-Schritten die zu beurteilende Fläche über 360° umläuft und eine13. The method according to any one of the preceding claims, wherein for a visual detection of twin boundaries and foreign grains on the herausgetrennten blank or the volume suitable for blanks an angle of incidence of a light source to the surface to be assessed covers an angle range of 10 ° to 75 ° and the light source azimuthally in 10 ° increments the surface to be assessed rotates through 360 ° and a
Betrachtungsrichtung zum Betrachten der der zu beurteilenden Fläche von gegenüber der Einstrahrichtung erfolgt und denselben Einstrahlwinkelbereich von 10° bis 75° überstreicht sowie zusätzlich zur Betrachtungsrichtung von genau gegenüber der Einstrahlrichtung der Lichtquelle ein azimutalen Betrachtungswinkelbereich von -90° bis +90° zur Betrachtungsrichtung überstrichen wird. Viewing direction for viewing the area to be assessed from the direction opposite to the Einstrahrichtung and the same Einstrahlwinkelbereich from 10 ° to 75 ° sweeps over and in addition to the viewing direction of exactly opposite the direction of the light source an azimuthal viewing angle range from -90 ° to + 90 ° is swept to the viewing direction.
14. Blank aus quasimonokristallinem Silizium-Material zur Verwendung für optische Bauteile für Anwendungen im infraroten Spektralbereich oder für Funktionsbauteile in Anlagen zur Halbleiterprozessierung, insbesondere für Showerheads, wobei 14. Blank of quasi-monocrystalline silicon material for use for optical components for applications in the infrared spectral range or for functional components in systems for semiconductor processing, in particular for showerheads, wherein
das Blank in Bereichen auf seiner Ober- oder Unterseite, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich von größer 1 x 102 bis kleiner 1 x 106 cm~2 aufweist und the blank in areas on its upper or lower side, which do not contain clusters of dislocations or small-angle grain boundaries, has a concentration of individual dislocations in the range of greater than 1 x 10 2 to less than 1 × 10 6 cm -2 and
das Blank einen spezifischen Widerstand von größer als 5 Ωαη aufweist.  the blank has a specific resistance greater than 5 Ωαη.
15. Blank nach Anspruch 14, das auf seiner Ober- oder Unterseite zusätzlich zu den Bereichen, die keine Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten, weiterhin Bereiche aufweist, die Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen enthalten. Blank according to claim 14, further comprising areas containing clusters of dislocations or small-angle grain boundaries on its top or bottom in addition to the areas which do not contain clusters of dislocations or small-angle grain boundaries.
16. Blank nach Anspruch 14 oder 15, das auf seiner Ober- oder Unterseite Fremdkörner einer Größe kleiner 50 mm2 aufweist. 16. blank according to claim 14 or 15, which has foreign grains of a size smaller than 50 mm 2 on its upper or lower side.
17. Blank nach Anspruch 16, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Fremdkörnern einer Größe kleiner 50 mm2 aufweist 17. Blank according to claim 16, which has on its upper or lower side a predetermined number of foreign grains of a size smaller than 50 mm 2
18. Blank nach einem der Ansprüche 14 bis 17, das auf seiner Ober- oder Unterseite Zwillingsgrenzen aufweist. Blank according to one of claims 14 to 17, which has twin boundaries on its top or bottom.
19. Blank nach Anspruch 18, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine vorbestimmte Anzahl von Zwillingsgrenzen aufweist. Blank according to claim 18, having a predetermined number of twin boundaries on its top or bottom.
20. Blank nach einem der Ansprüche 14 bis 19, das auf seiner Ober- oder Unterseite eine Kombination von Klassen der Fehler Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörner und Zwillingsgrenzen aufweist. Blank according to one of claims 14 to 19, which has on its top or bottom side a combination of classes of defects clusters of dislocations or small angle grain boundaries, foreign grains and twin boundaries.
21. Blank nach Anspruch 20, das auf seiner Ober- oder Unterseite Kombinationen aller drei Klassen der Fehler aus Cluster von Versetzungen oder Kleinwinkelkorngrenzen, Fremdkörnern und Zwillingsgrenzen aufweist. Blank according to claim 20, comprising on its top or bottom side combinations of all three classes of defects from clusters of dislocations or small angle grain boundaries, foreign grains and twin boundaries.
22. Blank nach einem der Ansprüche 14 bis 21, das einen Durchmesser oder eine Diagonale von größer 320mm aufweist oder dessen kürzere Kantenlänge größer als 320mm ist. 22. Blank according to one of claims 14 to 21, which has a diameter or a diagonal of greater than 320mm or whose shorter edge length is greater than 320mm.
23. Blank nach einem der Ansprüche 14 bis 21, das einen Durchmesser oder eine Diagonale von größer 470mm aufweist oder dessen kürzere Kantenlänge größer als 470mmmm ist. Blank according to one of claims 14 to 21, which has a diameter or a diagonal of greater than 470 mm or whose shorter edge length is greater than 470 mm.
24. Verwendung des Blanks nach einem der Ansprüche 14 bis 23 für Anwendungen im infraroten Spektralbereich, insbesondere im Bereich 1,4 μιη bis 10 μιη, bevorzugter im Bereich 1,4 μι Μβ 8 μιη, bevorzugt als Linsenblanks oder Spiegel. 24. Use of the blanc according to one of claims 14 to 23 for applications in the infrared spectral range, in particular in the range of 1.4 μιη to 10 μιη, more preferably in the range 1.4 μι Μβ 8 μιη, preferably as Linsenblanks or mirror.
25. Verwendung nach Anspruch 24, wobei das Blank 25. Use according to claim 24, wherein the blank
eine Konzentration von Einzelversetzungen im Bereich im Bereich von größer 1 x 102 bis kleiner l x l06 cm~2 in seinem versetzungscluster- und damit kleinwinkelkorngrenzenfreien Volumen und/oder a concentration of individual dislocations in the area in the range of greater than 1 x 10 2 to less than lx l0 ~ 6 cm 2 in its versetzungscluster- and small-angle grain boundaries free volume and / or
einen spezifischen Widerstand von größer als 5 Ωαη aufweist.  has a resistivity of greater than 5 Ωαη.
26. Verwendung nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Blank auf seiner Ober- oder Unterseite keine visuell erkennbaren Zwillingsgrenzen(Klasse ZI) und auch keine visuell erkennbaren Fremdkörner(Klasse FK1) enthält. 26. Use according to claim 24 or 25, wherein the blank on its top or bottom no visually identifiable twin boundaries (class ZI) and also no visually recognizable foreign particles (class FK1) contains.
27. Verwendung nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Blank auf seiner Ober- oder Unterseite visuell erkennbaren Zwillingsgrenzen(Klasse Z2 bis Klasse Z5) und/oder visuell erkennbaren Fremdkörner (Klasse FK2 bis Klasse FK5) enthält. 27. Use according to claim 24 or 25, wherein the blank on its top or bottom visually identifiable twin boundaries (class Z2 to class Z5) and / or visually identifiable foreign grains (class FK2 to class FK5) contains.
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