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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
eines Einkristalls aus Silicium, wobei der Einkristall aus einer Schmelze
nach der Czochralski-Methode gezogen wird. Diese Methode ist lange
bekannt und wird in industriellem Maßstab eingesetzt, um Halbleiterscheiben
zu erzeugen, die wiederum das Grundmaterial für die Herstellung elektronischer
Bauelemente sind.
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Es
ist weiterhin bekannt, dass die Herstellung von Einkristallen, die
einen Durchmesser von 200 mm oder größer haben, eine besondere Herausforderung
darstellt, insbesondere, weil es große Schwierigkeiten bereitet,
die radialen Kristalleigenschaften in einem möglichst engen Bereich gezielt einzustellen.
Im Wesentlichen betrifft das die Konzentration von Fremd- oder Dotierstoffen
und Kristalldefekten beziehungsweise deren Agglomerate. Die radialen
Kristalleigenschaften werden im Wesentlichen durch die thermischen
Verhältnisse
an der Erstarrungsfront und den dort vorliegenden Stoffkonzentrationen
bestimmt. Wärmequellen
sind die eingesetzten Heizer und die bei der Erstarrung abgegebene
Kristallisationswärme.
Letztere bewirkt beispielsweise bei einem Einkristall aus Silicium
mit einem Durchmesser von 300 mm bei einer Ziehgeschwindigkeit von
0.4 mm/min bereits etwa 2 kW zusätzliche
Wärmeleistung
an der Erstarrungsfront. Neben der direkten Strahlung und Wärmeleitung
sind die von den Schmelzenströmen
vermittelten Wärmetransporte
von wesentlicher Bedeutung. Die Wärmeabfuhr im Bereich der Erstarrungsfront
wird maßgeblich
von der abgestrahlten Wärme
und der Wärmeableitung
im Einkristall bestimmt. Insgesamt lässt sich der Wärmehaushalt
daher durch den Aufbau der Ziehanlage, das heißt über die geometrische Anordnung der
wärmeleitenden
Teile, der Wärmeschilder
und durch zusätzliche
Wärmequellen
einstellen. Es tragen jedoch auch die Prozessbedingungen wie beispielsweise
Wachstumsgeschwindigkeit, Druck, Menge, Art und Führung von
Spülgasen
durch die Ziehanlage wesentlich zur Wärmebilanz bei. Mit einer Erhöhung des
Druckes oder der Spülgasmenge wird
beispielsweise eine Temperaturverringerung erreicht. Größere Ziehgeschwindigkeiten
steigern die erzeugte Kristallisationswärme.
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Die
wärmetransportierenden
Schmelzenströme
einzustellen erweist sich häufig
als schwierig, da eine vollständige
theoretische Vorausberechnung sehr kompliziert ist. Die Schmelzenströme sind
abhängig
von Betrag und Richtung der Drehungen des Tiegels und des Einkristalls.
Eine gleichsinnige Drehung ergibt beispielsweise ein völlig anderes
Konvektionsmuster als eine Gegensinnige. Inder Regel wird eine gegensinnige
Drehung bevorzugt, die im Vergleich zu weniger sauerstoffreichem
Material führt und
stabiler über
die gezogene Länge
des Einkristalls ist. Die Schmelzenströme können auch durch die Kraftwirkung
von angelegten elektromagnetischen Feldern beeinflusst werden. Statische
Magnetfelder werden zur Verlangsamung verwendet, während dynamische
Felder sowohl Betrag als auch Richtung der Schmelzenströme gezielt ändern und
erhöhen können.
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Die
radiale Temperaturverteilung im Erstarrungsbereich des Einkristalls
wird wesentlich durch die am Rand abgestrahlte Wärme bestimmt. Deshalb beobachtet
man in der Regel einen viel stärkeren Temperaturabfall
am Rand des Einkristalls, als in dessen Zentrum. Der axiale Temperaturabfall
wird meistens mit G (axialer Temperaturgradient) bezeichnet. Seine
radiale Variation G(r) bestimmt ganz wesentlich die Kristalleigenpunktdefektverteilung
und damit auch die weiteren Kristalleigenschaften. Die sich aus
dem Wärmehaushalt
ergebende radiale Änderung
des Temperaturgradienten G wird in der Regel aus numerischen Simulationsrechnungen
bestimmt. Zur Kontrolle der Berechnungen werden dazu axiale Längsschnitte
des Einkristalls erstellt und durch geeignete Präparationsmethoden der radiale Verlauf
der Erstarrungsfront sichtbar gemacht. In der Regel zeigt sich eine
deutlich nach oben durchgebogene Erstarrungsfront. Ein flachere
Form deutet auf einen homogeneren Temperaturgradienten hin. Die radiale
Variation des Temperaturgradienten kann aus dem Verhalten der radialen
Kristalldefektverteilung für
verschieden Wachstumsgeschwindigkeiten genauer abgeleitet werden.
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Im
Hinblick auf die Entstehung von Kristalldefekten ist das Verhältnis v/G(r)
von herausragender Bedeutung, wobei G(r) der axiale Temperaturgradient
an der Erstarrungsfront des Einkristalls in Abhängigkeit von der radialen Position
im Einkristall und v die Geschwindigkeit ist, mit der der Einkristall
aus der Schmelze gezogen wird. Liegt das Verhältnis v/G über einem kritischen Wert k1,
so treten überwiegend Leerstellendefekte
(vacancies) auf, die agglomerieren können und dann beispielsweise
als COPs (crystal originated particles) identifiziert werden können. Sie
werden je nach Nachweismethode gelegentlich auch als LPD (light
point defects) oder LLS bezeichnet. Aufgrund des meist abfallenden
radialen Verlaufes von v/G treten die COPs am häufigsten im Zentrum des Einkristalls
auf. Im allgemeinen haben sie Durchmesser von etwa 100 nm und können bei
der Bauelementeherstellung Probleme bereiten. Größe und Anzahl der COPs bestimmen
sich aus der Ausgangskonzentration, den Abkühlraten und der Anwesenheit
von Fremdstoffen bei der Agglomeration. Die Anwesenheit von Stickstoff
führt beispiels
weise zu einer Verschiebung der Größenverteilung zu kleineren
COPs mit größerer Defektdichte.
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Liegt
das Verhältnis
von v/G unter einem kritischen Wert k2, der kleiner als k1 ist,
so treten überwiegend
Siliciumeigenpunktdefekte in Form von Zwischengitteratomen (silicon
selfinterstitials) in Erscheinung, die ebenfalls Agglomerate bilden
können
und sich makroskopisch als Versetzungsschleifen zeigen. Diese werden
häufig
als A-Swirl, die kleinere Form als B-Swirl, oder kurz aufgrund ihrer
Erscheinung als Lpit-Defekte (large etch pits) bezeichnet. In ihrer
Größe liegen
Lpits im Bereich von über
10 μm. In
der Regel können
selbst epitaktische Schichten diese Defekte nicht mehr fehlerlos überdecken.
Auch diese Defekte können
daher die Ausbeute bei Bauelemente beeinträchtigen.
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Im
weitesten Sinne wird der Bereich, in dem weder eine Agglomeration
von Leerstellen noch von Zwischengitteratomen stattfindet, in dem
also v/G zwischen k1 und k2 liegt, als neutrale Zone oder perfekt
bezeichnet. Man unterscheidet jedoch weiter einen Bereich, in dem
sich noch freie nicht agglomerierte Leerstellen befinden, und ein
von Zwischengitteratomen bestimmtes Gebiet. Der Leerstellenbereich,
auch v-Gebiet (vacancies) genannt, zeichnet sich dadurch aus, dass
bei genügend
hohem Sauerstoffgehalt des Einkristalls dort sauerstoffinduzierte Stapelfehler
entstehen, während
der i-Bereich (interstitials) völlig
fehlerfrei bleibt. Im engeren Sinne ist daher nur das i-Gebiet ein wirklich
perfekter Kristallbereich.
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Große Sauerstoffausscheidungen
mit einem Durchmesser von über
etwa 70 nm können
als sauerstoffinduzierte Stapelfehler (OSF) sichtbar gemacht werden.
Dazu werden die aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheiben
durch eine spezielle Temperaturbehandlung präpariert, die als feuchte Oxidation
bezeichnet wird. Das Größenwachstum der
beim Kristallwachstumsprozess entstandenen Sauerstoffpräzipitate,
die gelegentlich auch als as grown BMD (bulk micro defects) bezeichnet
werden, wird durch die Leerstellen des Siliciumgitters gefördert. Daher
findet man OSF nur im v-Bereich.
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Praktisch
defektfrei wird der Einkristall, wenn es gelingt, die Ziehbedingungen
so einzustellen, dass der radiale Verlauf der Defektfunktion V/G(r)
innerhalb der kritischen Grenzen der COP- oder Lpit-Bildung liegt. Das ist jedoch
insbesondere dann nicht einfach zu realisieren, wenn Einkristalle
mit einem vergleichsweise großen
Durchmesser gezogen werden, weil dann der Wert von G deutlich vom
Radius abhängt.
In diesem Fall ist der Temperaturgradient am Kristallrand aufgrund
von Wärmestrahlungsverlusten
sehr viel höher
als im Zentrum.
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Der
radiale Verlauf der Defektfunktion v/G(r) beziehungsweise des Temperaturgradienten
G(r) führt
dazu, dass auf einer, aus dem Einkristall geschnittenen Halbleiterscheibe,
mehrere Defektbereiche vorhanden sein können. Im Zentrum treten bevorzugt
COPs auf. Die Größenverteilung
der agglomerierten Leerstellen ergibt sich aus der Abkühlrate des
Einkristalls im Bereich der Erstarrungsfront. Durch eine hohe Abkühlrate oder
mittels Stickstoffdotierung der Schmelze kann die Größenverteilung
der COPs von wenigen großen
zu vielen kleinen, weniger störenden
COPs gezielt verändert
werden. An das COP-Gebiet schließt sich der sauerstoffinduzierte Stapelfehlerkranz
(OSF) an, als Ergebnis der Wechselwirkungen von Siliciumleerstellen
und Sauerstoffausscheidungen. Nach außen folgt ein völlig defektfreies
Gebiet, das wiederum von einem Bereich mit Kristalldefekten bestehend
aus Siliciumzwischengitteragglomeraten (LPITs) begrenzt wird. Am
Rand des Einkristalls diffundieren die Zwischengitteratome abhängig von
den thermischen Verhältnissen
aus, so dass dort wiederum ein zentimeterbreiter, defektfreier Ring
entstehen kann.
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Die
auftretenden Kristalldefektbereiche im Zusammenhang mit dem radialen
v/G-Verlauf sind bei Eidenzon/Puzanov in Inorganic Materials, Vol.
33, No3, 1997, pp. 219-255 ausführlich
dargestellt. In diesem Beitrag wird auch bereits auf Möglichkeiten verwiesen,
defektfreies Material herzustellen. Dabei wird sowohl auf die notwendigen
Abkühlraten
im Temperaturbereich der Agglomeration, auf die Einflussnahme mittels
Stickstoffdotierung und auf Methoden wie der oszillierenden Wachstumsgeschwindigkeit
verwiesen. Bis zu einem gewissen Grad kann eine Homogenisierung
von v/G(r) über
den Kristalldurchmesser durch den Einsatz von passiven oder aktiven
Hitzeschildern in Bereich der Erstarrungsfront erreicht werden,
wie es beispielsweise in der Patentliteratur
EP 866150 81 oder
US 6153008 dargestellt wurde. Jedoch
wird die Homogenisierung des Temperaturgradienten mit diesen Methoden
bei großen
Einkristallen immer schwieriger.
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In
Anbetracht der bisherigen Kenntnisse stellt sich, insbesondere im
Hinblick auf Kristalldurchmesser von 200 mm und größer, die
Herausforderung, neue wirtschaftliche Methoden zur Einstellung der
erforderlichen Wachstumsbedingungen zu finden, damit das vom Kunden
verlangte Defektprofil erhalten wird. Halbleiterscheiben, die nur
COPs, insbesondere solche mit einer vorgegebenen Größen- und Dichteverteilung
aufweisen und Halbleiterscheiben, die keine Agglomerate von Punktdefekten
haben, sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse. Aber
auch Halbleiterscheiben mit Stapelfehlerkranz (ring-wafer), mit beiden
oder mit nur einem Punktdefekttyp können vom Kunden spezifiziert
sein. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, die Wachstumsbedingungen
so einzustellen, dass möglichst
viele Halbleiterscheiben mit den spezifizierten Defekteigenschaften
vom Einkristall abgetrennt werden können. In der
DE 198 06 045 A1 ist ein
dafür geeignetes
Verfahren beschrieben.
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Die
gezielte Steuerung des radialen Verlaufes des axialen Temperaturgradienten
G(r) an der Erstarrungsfront und der Wachstumsgeschwindigkeit v ermöglicht es
nicht nur, bestimmte Defektverteilungen im Einkristall einzustellen.
Da der Einbau von Sauerstoff und Dotierstoffen in den Einkristall
ebenfalls stark von der Wachstumsgrenze abhängt, lassen sich durch eine
gezielte Steuerung des Temperaturgradienten auch radiale Variationen
von Dotierstoff- und Sauerstoffverteilungen reduzieren.
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Eine
Möglichkeit
für eine
solche Steuerung bietet die Anwendung von Magnetfeldern während des
Ziehens des Einkristalls, weil mit Magnetfeldern Einfluss auf die
Strömungsverhältnisse
in der Schmelze und damit auf den Temperaturhaushalt, insbesondere
im Bereich der Erstarrungsfront genommen werden kann. Beschreibungen
finden sich zur Anwendung von statischen Magnetfeldern (horizontale,
vertikale und CUSP Magnetfelder), ein- oder mehrphasigen Wechselfeldern,
rotierenden Magnetfeldern und magnetischen Wanderfeldern. Gemäß den Patentanmeldungen
EP-1225255 A1 und
US-2002/0092461 A1 wird
beispielsweise ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt, um den Einbau
von Sauerstoff in den Einkristall kontrollieren zu können. In
der
JP 62-078184 A ist
die Anwendung eines statischen Magnetfelds beschrieben.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren anzugeben,
mit dem die Konzentration von Eigendefekten und von Fremdstoffen
wie Sauerstoff und Dotierstoff in radialer Richtung gezielt und
in einem engen Bereich einstellbar ist.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
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In
der konventionellen Czochralski-Methode werden symmetrische physikalische
Bedingungen eingehalten, das heißt, die Schmelzenströme und die Temperaturverteilung
folgen der rotationssymmetrischen Anordnung beim Kristallziehen.
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Die
Erfinder des nachstehend beschriebenen Verfahrens haben herausgefunden,
dass eine gezielte Störung
der Rotationssymmetrie des Temperaturfeldes in der Schmelze, insbesondere
im Bereich der Erstarrungsfront, eine auf den axialen Temperaturgradienten
G(r) und die Stoffkonzentrationen von Sauerstoff und Dotierstoffen
vergleichmäßigende
Wirkung über
den Kristalldurchmesser hat. Diese Wirkung äußert sich beispielsweise auch
darin, dass die Krümmung
der Erstarrungsfront wesentlich geringer ist, als das im Fall eines
rotationssymmetrischen Temperaturfeldes zu beobachten ist.
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Erfindungsgemäß wird dies
zur Herstellung von Einkristallen ausgenützt, deren Konzentrationen an
Defekten, Sauerstoff und Dotierstoffen in radialer Richtung in einem
engen Toleranzbereich liegen, wobei diese Konzentrationen unter
Berücksichtigung der
v/G-Beziehung gezielt eingestellt werden können.
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Vorzugsweise
wird ein Einkristall aus Silicium hergestellt, der über eine
Stablänge
von über
10 Prozent der Gesamtstablänge
ein einheitliches Defektbild und enge radiale Dotierstoff- und Sauerstoffvariationen
besitzt. Besonders bevorzugte Ausführungsformen sind ein Einkristall,
der über
eine Stablänge
von über
10 Prozent der Gesamtstablänge
auf 60 Prozent der Querschnittsfläche oder mehr frei von agglomerierten
Eigenpunktdefekte ist, ein Einkristall, der über eine Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
nur agglomerierte Leerstellen enthält, und ein Einkristall, der über eine
Stablänge
von über 10
Prozent der Gesamtstablänge
nur agglomerierte Zwischengitteratome enthält. Die Einkristalle besitzen darüber hinaus
vorzugsweise einen Durchmesser von mindestens 200 mm und weisen
vorzugsweise radiale Dotierstoffvariationen von unter 10% über eine
Stablänge
von über
10 Prozent der Gesamtstablänge
und radiale Sauerstoffvariationen von unter 10% über eine Stablänge von über 10 Prozent
der Gesamtstablänge
auf.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird ein an die Schmelze angelegtes magnetisches
Wanderfeld (traveling field) teilweise abgeschirmt, so dass die
Rotationssymmetrie der Feldlinien in Bezug auf die Rotationsachse
des Tiegels gebrochen wird. Eine Wirkung auf die Temperaturverteilung
im Bereich der Erstarrungsfront haben insbesondere die Form und
das Material der eingesetzten Abschirmung, die Amplitude und die
Frequenz des Magnetfelds und die Tiegeldrehung.
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Als
magnetische Abschirmung können
metallische Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Kupferplatten
mit einer Dicke von einem bis mehreren Zentimetern, welche innerhalb
der Magnetspulen angeordnet sind. Die Eindringtiefe von dynamischen
Magnetfeldern ist von der verwendeten Frequenz abhängig. Es
werden daher Frequenzen von 10 Hz bis etwa 1000 Hz eingesetzt. Bei
der Verwendung von magnetischen Wanderfeldern mit teilweiser Abschirmung
in Form von rechteckigen Kupferplatten ist eine Frequenz im Bereich
von 30 Hz besonders geeignet. Die Stärke des Magnetfeldes bestimmt
ebenfalls dessen Wirkung. Es werden für die Erzeugung von Wechselfeldern
Stromstärken
von vorzugsweise bis zu 500 A bei bis zu 50 Spulenwindungen benutzt.
Hohe Tiegeldrehungen, insbesondere Drehungen von 3 U/min und höher reduzieren den
Einfluss des Magnetfeldes, d.h. die gewünschte nichtrotationssymmetrische
Wirkung auf die Schmelzenströme
nimmt dann deutlich ab. Zu Berücksichtigen
ist ferner auch die jeweils im Tiegel vorliegende Schmelzenmenge,
weil sich davon abhängig
verschiedene Schmelzenstrommuster ausbilden können. Die notwendigen Bedingungen,
das heißt
das Verhältnis
von Magnetfeld, Abschirmung und Ziehprozessparameter, wie beispielsweise
der Tiegeldrehung werden durch Experiment und abschätzenden Simulationsrechnungen
jeweils näher
bestimmt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird der Einkristall außeraxial gezogen, mit anderen
Worten, beim Ziehen des Einkristalls liegen die Rotationsachsen
von Einkristall und Tiegel nicht deckungsgleich, was zu ähnlichen
vorteilhaften Ergebnissen insbesondere was die Verringerung der radialen
Variationen der Fremd- oder Dotierstoffkonzentrationen führt. Allerdings
sind bei dieser Ausführungsform
die im Ziehprozess steuerbaren Eingriffsmöglichkeiten begrenzt. In einzelnen
Versuchen konnten dieradialen Variation insbesondere des Sauerstoffgehaltes
um bis zu ein Prozent verbessert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren weiter erläutert. In 1 ist
das konventionelle Kristallziehverfahren schematisch dargestellt. Im
Vergleich dazu wird in 2 die Anordnung für außeraxiales
Kristallziehen gemäß der zweiten
Ausführungsform
des Verfahrens dargestellt. 3 zeigt eine
für den
Stand der Technik typische rotationssymmetrische Anordnung, bei
der ein magnetisches Wanderfeld eingesetzt wird. Die Anordnung gemäß 4 unterscheidet
sich davon durch eine zusätzlich vorgesehene
magnetische Abschirmung, die die rotationssymmetrischen Verhältnisse
bricht. 5 zeigt eine bevorzugte Anordnung
mit zwei geteilten magnetischen Abschirmungen. In 6 bis 10 sind
Ergebnisse von Messungen und von Simulationsrechnungen wiedergegeben,
die die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung verdeutlichen.
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In 1 ist
das konventionelle Kristallziehverfahren schematisch dargestellt.
Es zeigt die Anordnung von Einkristall 1, Erstarrungsfront 2,
Tiegel, Schmelzenströme 3 und
Tiegelheizung 4. Im Vergleich dazu ist in 2 eine
Anordnung für
außeraxiales
Kristallziehen gemäß der zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt, verdeutlicht durch die unterschiedliche Lage von Tiegeldrehachse 5 und
Kristalldrehachse 6. Drehachsenabstände von über einen Zentimeter führen bereits
zu deutlich veränderten,
nicht mehr rotationssymmetrischen Verhältnissen an der Erstarrungsfront.
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In
den nachfolgenden Abbildungen ist die Erfindung am Beispiel eines
angewendeten magnetischen Wanderfeldes erläutert. Die jeweils schematisch
dargestellten Schmelzenströme
resultieren aus begleitenden Simulationsberechnungen. 3 zeigt eine
für den
Stand der Technik typische rotationssymmetrische Anordnung unter
Verwendung eines magnetisches Wanderfeldes, aufgrund der Kraftwirkung
auf die Schmelzströme
auch als TMF- bezeichnet, umfassend einem Einkristall 1,
eine Erstarrungsfront 2 und einen Heizer 4. Die
Wirkung des magnetisches Wanderfeldes, welches durch Magnetspulen 8 erzeugt
und mit magnetischen Feldlinien 7 verdeutlicht ist, zeigt
sich in den resultierenden Schmelzenströmen 3. Die Anordnung
gemäß 3 mit
einem axial aus einem Tiegel gezogen Einkristall 1, konzentrisch
zum Einkristall und dem Tiegel liegender Tiegelheizung 4 und
magnetischer Einrichtung 8 erzeugt einen konventionell
benutzten Schmelzenfluss 3 und ist typisch für die im
Stand der Technik beschriebenen Verfahren. Die schematisch dargestellten
magnetischen Spulen 8 haben eine Windungszahl von bis zu
50 und können
elektrische Ströme
bis zu 500 A führen
bei einem Spulendurchmesser über
500 mm.
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4 repräsentiert
eine Anordnung zur Durchführung
der bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens und weist deshalb im Vergleich zur Anordnung gemäß 3 zusätzlich eine
magnetische Abschirmung 9 auf, die die rotationssymmetrischen Verhältnisse
bricht. Es stellen sich völlig
veränderte wärmetransportierende
Schmelzenströme 3 ein,
die beispielsweise zu einer deutlichen Abflachung der Erstarrungsfront 2 führen und
zur radialen Homogenisierung des Temperaturgradienten G(r) benutzt werden
können.
Die verwendete metallische Abschirmung führt dazu, dass die Rotationssymmetrie
des auf die Schmelze und den Einkristall wirkenden Magnetfelds verloren
geht und ein asymmetrisches magnetisches Wanderfeld resultiert (ATMF-),
welches den von der Rotationssymmetrie abweichenden Schmelzenfluss 3 bewirkt.
Simulationsrechnungen weisen darauf hin, dass zwei oder mehrere Abschirmungen,
die insgesamt bis zu 2/3 der dem Einkristall zugewandten Magnetspulenfläche abschirmen
und symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind, noch deutlich
günstigere
Schmelzenströme
erzeugen, so dass eine hervorragende Homogenisierung des Temperaturgradienten
G(r) an der Erstarrungsfront zu erwarten ist. In 5 ist
zur Veranschaulichung eine besonders bevorzugte Anordnung mit zwei
geteilten magnetischen Abschirmungen 9 und 10,
die zwischen der magnetfelderzeugenden Einrichtung 8 und
dem Tiegel angebracht sind dargestellt.
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Beispiele:
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Im
Nachfolgenden wird anhand von Beispielen die Wirkung erfindungsgemäßer Anordnungen
im Vergleich zu konventionellen Anordnungen näher erläutert.
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6 zeigt
den axialen Längsschnitt
eines Einkristalls, der unter konventionellen Bedingungen mit rotationssymmetrischen
magnetischen Wanderfeld, entsprechend der in 3 dargestellten
Anordnung, gezogen wurde. Aus im Längsschnitt dargestellten Lebensdauermessungen
(lifetime measurement μPCD)
wird der stark gekrümmte
radiale Verlauf der Erstarrungsfront 11 sehr deutlich.
In 7 ist zum Vergleich eine Lebensdauermessung dargestellt,
die die Wirkung einer teilweisen Abschirmung eines magnetischen
Wanderfelds deutlich macht. Bei der Kristallherstellung wurde eine
in 4 schematisch dargestellte Anordnung mit asymmetrischem Wanderfeld
(ATMF-) benutzt, bei im übrigen
gleichen Kristallziehbedingungen. Die am Längsschnitt des Einkristalls
gemessene Lebensdauer weist im Unterschied zu 6 eine
viel geringere Krümmung
der Erstarrungsfront auf. Die flachere Erstarrungsfront, deutlich
gemacht in der hervorgehobenen Kurve 12, lässt auf
eine Vergleichmäßigung des
axialen Temperaturgradienten G(r) im Bereich der Erstarrungsfront
schließen.
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In 8 sind
die Resultate mehrerer Lebensdauermessungen zusammengefasst, um
die verschiedenen Krümmungsverläufe der
Erstarrungsfront (solidification interface) von symmetrischen Wanderfeld
(TMF-) und asymmetrischen Wanderfeld (ATMF-) in der Anordnung wie
sie in 3 beziehungsweise 4 schematisch
dargestellt wurden, gegenüber
zu stellen.
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Aus
den Untersuchungsergebnissen wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen,
der in 9 dargestellte radiale Verlauf des axialen Temperaturgradienten
abgeschätzt.
Analog zur flacheren Erstarrungsfront ist eine Homogenisierung des
Temperaturgradienten und damit von v/G(r) zu erwarten. Die flachere
Erstarrungsfront macht sich auch in der radialen Verteilung der
Fremdstoffe, insbesondere der Sauerstoffkonzentration bemerkbar.
Die statistische Gegenüberstellung
von radialen Sauerstoffvariationen (radial Oxygen variations). in 10 von
Einkristallen gezogen unter symmetrischen Wanderfeld (TMF-) und
asymmetrischen Wanderfeld (ATMF-) weist auf einen gleichmäßigeren
Einbau des Sauerstoffes über
den Durchmesser des Einkristalls bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung hin.