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Einsatz elektromagnetische Felder bei der Züchtung von Si-Einkristallen

Simulationsergebnis Floating-Zone-Verfahren

Für das industrielle Ziehen von Si-Einkristallen werden zwei Verfahren eingesetzt: das Czochralski-(CZ-)-Verfahren zur Herstellung von Silizium für Mikroelektronikbauelemente und das Floating-Zone-(FZ-)-Verfahren zur Herstellung von Silizium für Bauelemente der Leistungselektronik. Der Einsatz von zusätzlichen elektromagnetischen Feldern beim CZ-Verfahren als auch die gezielte Auslegung des Induktors beim FZ-Verfahren ermöglichen, die Qualität der produzierten Siliziumeinkristalle zu steigern und die Kristalldurchmesser der zu vergrößern.

Die von zusätzlichen elektromagnetischen Feldern erzeugten Kräfte können gezielt genutzt werden, um die üblicherweise konvektiven Strömungsbewegungen in der Si-Schmelze beim widerstandsbeheizten CZ-Prozess so zu beeinflussen, dass der Wärme- und Stofftransport in optimaler Weise gestalten werden kann. Dabei werden unterschiedliche Feldvarianten eingesetzt:  Gleichfeld, Wechselfeld oder Wanderfeld. Von besonderer Bedeutung für die Qualität des produzierten Einkristalls sind dabei die resultierenden Temperatur- und Wärmeflussverhältnisse unterhalb der Kristallisationsfront, die das Kristallwachstum entscheidend bestimmen.

Beim FZ-Prozess, der prinzipiell bereits induktiv beheizt ist, können die elektromagnetischen Kräfte durch gezielte Auslegung des Induktors ebenfalls so eingestellt werden, dass der resultierende Wärme- und Stofftransport in der Schmelzzone sowohl das Abschmelzen des Vorratsstabs als auch die Temperatur- und Dotierstoffbedingungen an der Kristallisationsfront sowie die Form der Kristallisationsfront selbst optimal beeinflusst, um eine bestmögliche Kristallqualität zu erreichen.

Das Institut für Elektroprozesstechnik arbeitet seit vielen Jahren auf dem Gebiet der Auslegung von elektromagnetischen Feldern zur Unterstützung von Kristallzüchtungsprozessen. Spezielle Simulationsprogramme sowohl für das CZ- als auch für das FZ-Verfahren zur Simulation des elektromagnetischen Feldes, der fluiddynamischen und thermischen Feldverteilungen sowie zur Bestimmung der Phasengrenzform zwischen Schmelze und Kristall wurden zusammen mit einem Industriepartner entwickelt und angewendet. Die Entwicklungen umfassen 2D- und 3D-Modelle, Simulationen für stationäre und transiente Vorgänge und schließen heute bei der Simulation von transienten Prozessabläufen auch die im System vorliegenden Regelalgorithmen mit ein. Die Arbeiten am ETP werden in enger Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. A. Muiznieks in Riga an der Universität Lettlands durchgeführt.

Elektromagnetische Felder werden nicht nur im Bereich der Si-Einkristallzüchtung gezielt genutzt, auch in anderen Bereichen wie zum Beispiel der Erstarrung von Sonderlegierungen oder bei der Kristallzüchtung anderer Halbleiter wie Solarsilizium oder III-V-Halbleiter laufen am ETP derzeit Entwicklungen, elektromagnetische Felder zur Steigerung von Qualität und Produktivität einzusetzen (siehe auch das öffentlich geförderte Projekt Kristmag).

Ansprechpartner

Prof. Dr.-Ing. B. Nacke