HERSTELLUNG VON SI-EINKRISTALLEN

Kristallzucht mit dem Czochralski-Verfahren

Prinzip des Czochralski-Verfahren

Beim Czochralski-Verfahren wird wie in der Abbildung unten schematisch dargestellt ein zylindrischer Silizium-Einkristall aus einer Si-Schmelze gezogen. Hierzu wird zunächst polykristallines Silizium (z. B. aus dem Siemens-Prozess stammend) zusammen mit Dotierstoff en in einem Quarztiegel oberhalb 1400°C in einer Inertgas-Atmosphäre (z. B. Argon) eingeschmolzen. Der Quarztiegel sitzt hierbei bündig in einem Grafittiegel, welcher aufgrund seiner sehr hohen Wärmeleitfähigkeit die Temperatur der Heizwandung gleichmäßig auf den Quarztiegel überträgt.
In diese nun nahe über dem Schmelzpunkt von Silizium gehaltene Si-Schmelze taucht ein Si-Einkristall („Impfkristall“ bzw. „Impfling“) der gewünschten Kristall-Orientierung (z. B. <100>, <110> oder <111>), woran das geschmolzene Silizium durch die Wärmeabfuhr über den Impfling auszukristallisieren beginnt. Der Impfling wird langsam aus der Schmelze gezogen, wobei der wachsende Kristall und der Tiegel zur Optimierung der Homogenität des Kristalls und dessen Dotierung gegenläufi g rotieren. Die Ziehgeschwindigkeit von typ. einigen cm/Stunde bestimmt dabei den möglichst konstant gehaltenen Durchmesser des wachsenden Si-Zylinders.
Vor dem Ende des Kristallwachstums wird dessen Durchmesser durch eine Zunahme der Ziehgeschwindigkeit kontinuierlich auf Null verringert um thermische Spannungen im Kristall durch ein abruptes Heben aus der Schmelze zu vermeiden.

Kristallzucht-mit-dem-Czochralski-Verfahren

Die verschiedenen Schritte beim Ziehen von Si-Einkristallen über das Czochralski-Verfahren: Einschmelzen von polykristallinem Silizium mit Dotierstoffen, Eintauchen des Impfkristalls, und Ziehen des Einkristalls.

Vor-und Nachteile des Czochralski-Verfahren

Die Vorteile des Czochralski-Verfahrens sind große mögliche Kristalldurchmesser (derzeit bis 18 Zoll = 46 cm) sowie – verglichen mit dem im nächsten Abschnitt erläuterten Float-Zone-Verfahren – geringere Kosten der daraus hergestellten Wafer.
Ein Nachteil des Czochralski-Verfahrens sind Verunreinigungen durch die Tiegelwand mit Sauerstoff (ca. 10¹⁸ cm^-3), Kohlenstoff (ca. 10¹⁷ cm^-3) und Metallen welche die Minoritäten-Lebensdauer im Silizium herabsetzen. Ein weiterer Nachteil ist die relativ ungleichmäßige Dotierung über das gesamte Kristall-Volumen, wodurch keine gleichmäßig sehr gering dotierten, hochohmigen CZ-Wafer mit Widerständen über ca. 100 Ohm cm möglich sind. Ein Magnetfeld am Ort der Schmelze („Magnetic Czochralski”, MCZ) kann nicht-stationäre Strömungen der Schmelze unterdrücken, was die Homogenität der im Kristall eingebauten Dotierstoffkonzentration deutlich verbessert und so hoch-ohmige CZ-Wafer möglich macht.

Kristallzucht mit dem Float-Zone-Verfahren

Prinzip des Float-Zone Verfahrens

Beim Float-Zone- (FZ) bzw. Zonenschmelzverfahren wird, wie in der unten gezeigten Abbildung schematisch dargestellt, ein einkristalliner
Silizium-Impfkristall mit einem polykristallinen Si-Zylinder in Berührung gebracht. Von dieser Stelle ausgehend bringt eine Induktionsspule das Poly-Silizium in einer räumlich begrenzten Zone zum Schmelzen. Beim Abkühlen kristallisiert die Schmelze und nimmt hierbei die Kristallorientierung (z. B. <100>, <110> oder <111>) des Impflings an. Verunreinigungen sind beim Einbau in das entstehende Kristallgitter gegenüber Silizium energetisch benachteiligt (geringeres chemisches Potenzial), so dass diese sich in der Schmelze anreichern und nach Abschluss des Zonenschmelzverfahrens am Ende des Kristalls konzentriert vorliegen, wo sie abgetrennt werden können. Die Dotierung erfolgt über der Schutzgasatmosphäre zugesetztes Phosphin (PH₃), Arsin (AsH₃) oder Diboran (B₂H₆).

Kristallzucht-mit-dem-Float-Zone-Verfahren

Schema des Zonenschmelzverfahrens: Nach dem Anschmelzen eines Si-Einkristalls an einen Poly-Si Zylinder (oben) nimmt dieser der Länge nach durch Schmelzen und Auskristallisieren die Kristallrichtung des Impflings an.

Vor-und Nachteile des Float-Zone Verfahrens

Der Hauptvorteil des Float-Zone Verfahrens ist die Möglichkeit, die Dotierstoffkonzentration auch auf sehr geringem Level mit großer Homogenität vorzugeben, wodurch sehr hoch-ohmige (1.000 - 10.000 Ohm cm) und bzgl. des Widerstands sehr eng spezifizierte Wafer realisierbar sind. Zudem ist die Verunreinigung mit Fremdstoffen wesentlich geringer (Sauerstoff und Kohlenstoff < 10¹⁶ cm^-3) als beim CZ-Verfahren, da die
Si-Schmelze nicht mit Quarz in Kontakt kommt und keine Grafittiegel verwendet werden. Ein Nachteil des FZ-Verfahrens sind die relativ hohen Kosten, verglichen mit dem Czochralski-Verfah-ren typischerweise ein Drei- bis Vierfaches bezogen auf den fertigen Wafer. Aus technischen Gründen ist der Durchmesser des Einkristalls begrenzt und erlaubt beim derzeitigen Stand der Technik max. acht Zoll durchmessende FZ-Wafer.