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Dokumentenidentifikation DE102006016325A1 24.08.2006
Titel Verfahren zur Herstellung eines Impflingskristalls und Verwendung eines Impflingskristalls zum Kristallziehen
Anmelder Siltronic AG, 81737 München, DE
Erfinder Knerer, Dieter, 84489 Burghausen, DE
DE-Anmeldedatum 06.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016325
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse C30B 15/36(2006.01)A, F, I, 20060406, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C30B 13/34(2006.01)A, L, I, 20060406, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Impflingskristall und Verfahren zur Herstellung eines Impflingskristalls, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines zylindrischen Kristallblocks aus Halbleitermaterial, der ein Kristallstück mit Gleitungen in <110>-Richtung beinhaltet, b) Abtrennen des Gleitungen beinhaltenden Kristallstücks vom Einkristall, c) Ausbohren oder Aussägen von Impflingsrohlingen aus dem abgetrennten Kristallstück, d) Form gebende Bearbeitung der Impflingsrohlinge.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Czochralski oder durch Zonenziehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impflingskristall verwendet wird, der Gleitungen beinhaltet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines Impflingskristalls, der Gleitungen beinhaltet, zum Ziehen eines Einkristalls mittels der Czochralski-Methode oder zum Ziehen eines Einkristalls mittels Zonenziehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Impflingskristalls.

Einkristalle werden im Stand der Technik beispielsweise durch Ziehen eines Einkristalls aus einer in einem Tiegel vorgehaltenen Schmelze gemäß der Methode nach Czochralski und anschließende mechanische Bearbeitung hergestellt.

Bei der Czochralski-Methode wird ein Impflingskristall in eine in einem Tiegel gehaltene Schmelze eingetaucht, durch Herausziehen des Impflingskristalls aus der Schmelze ein Dünnhals, anschließend ein Einkristallstück mit kontinuierlich zunehmendem Durchmesser (Anfangskonus), ein zylindrisches Einkristallstück mit konstantem Durchmesser und abschließend ein Einkristallstück mit abnehmendem Durchmesser (Endkonus) gezogen.

Ein Alternative stellt das Ziehen eines Einkristalls durch Zonenziehen („floating zone method") dar. Dabei wird polykristallines Silicium mit Hilfe einer Hochfrequenzspule kontinuierlich aufgeschmolzen und das schmelzflüssige Material durch Animpfen mit einem Impflingskristall und anschließender Rekristallisation in einen Einkristall überführt.

Im Stand der Technik werden als Impflingskristalle in den genannten Verfahren üblicherweise Kristalle aus defektfreiem Material verwendet.

In US 6,080,237 ist beispielsweise die Verwendung eines Impflingskristalls aus versetzungsfreiem Silicium beschrieben.

In DE 19825745 A1 ist die Verwendung eines Kristallkeims aus fehlordnungsfreiem Silicium als Impflingskristall beansprucht.

In US 2003/079673 A1 wird vorgeschlagen, für den Impflingskristall vakanzendominiertes Material zu verwenden, während in US 2005/076826 interstitial-dominiertes Material für Impflingskristalle offenbart ist.

Diese Impflingskristalle werden im Stand der Technik gesondert gefertigt, indem aus einem weitgehend defektfreien einkristallinen Rohblock die Impflingskristalle mit einem Hohlbohrer herausgebohrt oder mittels einer Säge herausgesägt, anschließend Form gebend bearbeitet, beispielsweise mit einer Topfschleifmaschine auf Passung geschliffen und evtl. noch angeätzt werden.

Beim Ziehen von Einkristallen kann es zu Versetzungen und Gleitungen im Kristallgitter kommen. Im Stand der Technik wird versucht, dies dadurch zu vermeiden, dass zunächst ein sog. Dünnhals („Dash neck"), nämlich ein im Querschnitt verdünnter Hals, gezüchtet wird, wie z.B. in US 2003/079673 A1 beschrieben. Dieser Dünnhals soll ein Weiterwachsen der beim Ansetzen des Impfkristalls an die Schmelze entstehenden Versetzungen und Gleitungen verhindern.

Dennoch können sich Kristallbaufehler dieser Art ausbilden, wenn ein Kristall bis zu einer bestimmten Länge monokristallin gezogen wird, es dann zu einer Störung des Kristallisationsprozesses kommt, und der Kristall ab einer zweiten Länge nicht mehr einkristallin, sondern polykristallin wächst.

Im monokristallin gewachsenen Teil des Kristalls kommt es dann in Folge von mechanischen Spannungen zu plastischen Verformungen, so dass sich in einem Übergangsbereich zwischen oberem monokristallinem und polykristallinem Bereich Versetzungen, Gleitungen und Translationen ausbilden.

Für die Herstellung von Halbleiterscheiben sind weder der polykristalline Bereich noch der monokristalline Übergangsbereich, der von Gleitungen und Translationen dominiert ist, geeignet.

Im Stand der Technik sind diese beiden Bereiche Ausschuss.

Aufgabe der Erfindung war es, für die im Stand der Technik als Ausschuss nicht weiterverarbeiteten Bereiche eines Kristalls mit Gleitungen und Translationen einer Verwendung in der Fertigung von Halbleiterscheiben zugänglich zu machen und damit die Wirtschaftlichkeit der Fertigungsprozesse zu verbessern.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Impflingskristalls, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines zylindrischen Kristallblocks aus Halbleitermaterial, der ein Kristallstück mit Gleitungen in <110>-Richtung beinhaltet, b) Abtrennen des Gleitungen beinhaltenden Kristallstücks vom Einkristall, c) Ausbohren oder Aussägen von Impflingsrohlingen aus dem abgetrennten Kristallstück, d) Form gebende Bearbeitung der Impflingsrohlinge.

Erfindungsgemäß wird also ein Kristallblock, der ein Kristallstück mit Gleitungen und/oder Translationen umfasst, zur Herstellung von Impflingskristallen verwendet, indem der Bereich des Kristallblocks mit den Gleitungen und/oder Translationen vom Kristall abgetrennt wird.

Der bereitgestellte Kristallblock umfasst vorzugsweise einen Bereich A mit monokristallinem Halbleitermaterial, einen Bereich B mit Gleitungen und/oder Translationen in <110>-Richtung und einen Bereich C mit polykristallinem Halbleitermaterial.

Das in Schritt b) abgetrennte Kristallstück entspricht vorzugsweise dem Bereich B des Kristallblocks.

Beim bereitgestellten Kristallblock handelt es sich vorzugsweise um einen Siliciumstab.

Für das Abtrennen des Versetzungen beinhaltenden Kristallstücks in b) wird vorzugsweise eine Bandsäge oder eine Innenlochsäge gemäß Stand der Technik verwendet.

In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus dem in b) abgetrennten Kristallstück Impflingsrohlinge ausgebohrt oder herausgesägt.

Vorzugsweise wird zum Ausbohren der Impflingsrohlinge ein Hohlbohrer verwendet. Derartige Hohlbohrer sind im Stand der Technik bekannt.

Die abschließende Form gebende Bearbeitung in Schritt d) des beanspruchten Verfahrens erfolgt ebenfalls nach dem Stand der Technik.

Dabei wird bevorzugt insbesondere der Impflingsrohling auf Passung geschliffen.

Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch Verwendung eines Impflingskristalls, der Gleitungen beinhaltet, zum Ziehen eines Einkristalls mittels der Czochralski-Methode oder zum Ziehen eines Einkristalls mittels Zonenziehen.

Vorzugsweise beinhaltet der verwendete Impflingskristall Gleitungen in <110>-Richtung.

Vorzugsweise beinhaltet der verwendete Impflingskristall Gleitungen der {111}-Ebene in <110>-Richtung.

Vorzugsweise beinhaltet der Impflingskristall untergeordnet auch Gleitungen der {110}-Ebene in <110>-Richtung.

Vorzugsweise wird der Impflingskristall zum Ziehen eines Einkristalls aus Silicium verwendet.

Bei den Gleitungen handelt es sich um Flächendefekte, die in zwei Raumrichtungen planar unbestimmt sind (in der Literatur auch als Translation oder „slip" bezeichnet).

Die Ausdehnung von Punktdefekten (Interstitials, Vakanzen) und Volumendefekten (Präzipitate) ist dagegen in allen Richtungen bestimmt. Die Ausdehnung von Liniendefekten (Dislocations) ist in einer Richtung unbestimmt.

Definitionen der im Rahmen dieser Erfindung verwendeten Begriffe Translation und Slip sind in „Dislocations and plastic flow in crystals", A.H. Cottrell, Oxford at the Clarendon press (1953) bzw. in "Kristallplastizität", E. Schmid, W. Boas, Verlag von Julius Springer, Berlin (1935) angegeben.

Ein besonders bevorzugter Ablaufplan zur Herstellung von erfindungsgemäßen Impflingskristallen umfasst folgende Schritte:

  • a) Abtrennen des Gleitungen in <110>-Richtung beinhaltenden Kristallstücks von einem Kristallblock mit einem Durchmesser von wenigstens 200 mm,
  • b) Aufkitten und Orientieren des Kristallstücks mit einem Röntgengoniometer,
  • c) Ausbohren oder Aussägen von Impflingsrohlingen aus dem Kristallstück,
  • d) Standardimpflingsendfertigung

In Schritt a) wird von einem Kristallblock, der ein Kristallstück mit Gleitungen in <100>-Richtung beinhaltet, das Kristallstücks mit den Gleitungen abgetrennt. Der verwendete Einkristall hat einen Durchmesser von 200 mm oder größer. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Kristallblocks mit einem Durchmesser von 300 mm oder größer.

Das dabei abgetrennte Kristallstücks hat eine Länge von bis zu 300 mm. Üblicherweise bilden sich die beim Kristallziehen auftretenden Gleitungen und/oder Translationen auf einer Länge von bis zu 300 mm im Kristallstück. Anschließend wächst der Einkristall polykristallin weiter.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass das Sägen von Halbleitermaterial mit Versetzungen keine Probleme bereitet und auch bei einem Sägeprozess gemäß Stand der Technik keine Gefahr für die Säge besteht.

Vor dem Ausbohren bzw. Aussägen der Impflinge wird das Kristallstück auf eine Trägerplatte aufgekittet und mittels eines Röntgengoniometers orientiert. Vorzugsweise werden dabei auch Bohrrichtung und Gravuren festgelegt. Vorzugsweise werden die Kristallstücke in bestimmte Leitungstypen und Widerstandsbereiche eingemessen und klassifiziert.

Die ausgebohrten oder ausgesägten Impflinge haben vorzugsweise einen Durchmesser von 10–20 mm.

Besonders bevorzugt ist das Ausbohren oder Aussägen von Impflingen mit einem Durchmesser von 18 mm.

Dabei werden vorzugsweise 30–120 Impflinge mit Durchmesser 18 mm ausgebohrt.

Beim Ausbohren oder Aussägen von Impflingen aus einem Kristallstück mit einem Durchmesser von 300 mm, können bis zu 120 Impflinge mit einem Durchmesser von jeweils 18 mm ausgebohrt werden.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Herstellung von Impflingen ohne spezielle Ziehverfahren möglich ist.

Daraus ergeben sich insbesondere deshalb bedeutende Kostenvorteile, da Ziehanlagenkapazitäten, die bisher für die Fertigung von Impflingsrohlingen belegt waren, für die Verwendung in der Fertigung von Halbleiterscheiben frei werden. Außerdem fällt bei der Verwendung von Kristallblöcken mit einem Durchmesser von 300 mm für die Impflingsproduktion weniger Ausschuss an, da Kristallstücke mit Gleitungen und/oder Translationen nun einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden können.

Figuren

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 und 2 veranschaulicht.

1 zeigt einen Einkristall mit Kristallbaufehlern vom {110}-Gleitungstyp.

2 zeigt die Herstellung von Impflingskristallen aus Einkristallen, die Gleitungen beinhalten.

In 1 ist ein mittels Czochralski gezogener Silicium-Einkristall mit Kristallbaufehlern dargestellt. Bei den Kristallbaufehlern handelt es sich um Gleitungen in <110>-Richtung.

Der Einkristall wurde bis zur Länge L2 monokristallin gezogen. Bei Länge L2 kam es zu einer massiven Störung des Kristallisationsprozesses. Der Kristallbereich C wächst daher nicht mehr monokristallin, sondern polykristallin. Die Veränderungen im Kristallwachstum sorgen dafür, dass das bereits monokristallin gewachsene Material mechanische Spannungen durch plastische Verformung ausgleicht. Dies geschieht im Bereich B vor allem mittels Gleitungen der {111}-Ebene in <110>-Richtung und untergeordnet Gleitungen der {110}-Ebene in <110>-Richtung, wobei beide Systeme bis zur Länge L1 zurücklaufen.

Bei Einkristallen mit einem Durchmesser von 300 mm oder weniger entspricht die Länge L2–L1 etwa dem Durchmesser des Einkristalls. Bei einem Einkristall mit einem Durchmesser von 300 mm entspricht also die Länge L2–L1 etwa 300 mm.

Bei Einkristallen mit größerem Durchmesser ist L2–L1 kleiner als der Durchmesser des Einkristalls.

Nur der zylindrische Anteil von Kristallbereich A ist in der Fertigung von Siliciumscheiben verwendbar.

Die Bereiche B und C sind im Stand der Technik Ausschuss.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dagegen der Bereich B zur Fertigung von Impflingskristallen verwendet.

In 2 ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Herstellung von Impflingskristallen sowie die Verwendung der hergestellten Impflingskristalle beim Ziehen von Einkristallen schematisch dargestellt.

A zeigt einen Einkristall mit Gleitungen.

In B ist das Abtrennen des Gleitungen beinhaltenden Bereiches des Einkristalls dargestellt.

In C wird gezeigt, wie aus dem in B abgetrennten Kristallstück mittels eines Hohlbohrers Impflingskristalle ausgebohrt werden.

In D werden die Impflingskristalle auf Passung geschliffen.

Schließlich werden die Impflingskristalle in E zum Ziehen eines Einkristalls nach Czochralski verwendet.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines Impflingskristalls, umfassend folgende Schritte: a) Bereitstellen eines zylindrischen Kristallblocks aus Halbleitermaterial, der ein Kristallstück mit Gleitungen in <110>-Richtung beinhaltet, b) Abtrennen des Gleitungen beinhaltenden Kristallstücks vom Kristallblock, c) Ausbohren oder Aussägen von Impflingsrohlingen aus dem abgetrennten Kristallstück, d) Form gebende Bearbeitung der Impflingsrohlinge.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem bereitgestellten Kristallblock um einen Siliciumstab handelt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallblock aus einem Bereich A aus monokristallinem Halbleitermaterial, einem Bereich B, der Gleitungen in <110>-Richtung beinhaltet, und einem Bereich C aus polykristallinem Halbleitermaterial besteht, wobei Bereich B dem in Schritt b) abgetrennten Kristallstück entspricht.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in b) abgetrennte Kristallstück mittels eines Röntgengoniometers orientiert und in c) Impflingsrohlinge aus diesem Kristallstück mittels eines Hohlbohrers ausgebohrt oder mittels einer Säge herausgesägt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in d) die Impflingsrohlinge auf Passung geschliffen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem bereitgestellten Kristallblock um einen Siliciumstab mit einem Durchmesser von wenigstens 200 mm handelt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem bereitgestellten Kristallblock um einen Siliciumstab mit einem Durchmesser von wenigstens 300 mm handelt.
  8. Impflingskristall, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  9. Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls nach Czochralski oder durch Zonenziehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impflingskristall verwendet wird, der Gleitungen beinhaltet.
  10. Verwendung eines Impflingskristalls, der Gleitungen beinhaltet, zum Ziehen eines Einkristalls mittels der Czochralski-Methode oder zum Ziehen eines Einkristalls mittels Zonenziehen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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