Herstellung von Si-Einkristallen: Czochralski- und Float-Zone 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.

Czochralski-Verfahren:

Prinzip

Beim Czochralski-Verfahren wird ein zylindrischer Silizium-Einkristall aus einer Si-Schmelze gezogen. Hierzu wird zunächst polykristallines Silizium (z. B. aus dem Siemens-Prozess stammend) zusammen mit Dotierstoffen 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-Schmelzetaucht 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 gegenläufig 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.

Czochralski-Verfahren:

Vor- und Nachteile

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 sehr gering dotierten, hochohmigen CZ-Wafer (> 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.

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 (großes Bild rechts).

Float-Zone-Verfahren:

Prinzip

Beim Float-Zone- (FZ) bzw. Zonenschmelzverfahren wird ein einkristalliner Si-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).

Float-Zone-Verfahren:

Vor- und Nachteile

Der Hauptvorteil des Float-Zone Verfahrens ist die Möglichkeit, die Dotierstoff-Konzentration auch auf sehr geringem Level mit großer Homogenität vorzugeben, wodurch sehr hochohmige (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.
Die Nachteile des FZ-Verfahrens sind rel. hohe Kosten, sowie ein begrenzter Durchmesser des Einkristalls, beim derzeitigen Stand der Technik entsprechend 6 - 8 Zoll FZ Wafern.

Unsere Float-Zone Wafer

Unsere Wafer-Broschüre

Unsere technische Wafer-Broschüre mit Informationen zur Herstellung und Spezifizierung von Silizium-, Quarz-, Quarzglas und Borosilikat-Glaswafern kann hier als pdf geladen oder (gratis) bestellt werden.