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Main Title: Growth Conditions for Large Diameter FZ Si Single Crystals
Translated Title: Wachstumsbedingungen für FZ Si Einkristalle großen Durchmessers
Author(s): Menzel, Robert
Advisor(s): Bickermann, Matthias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die industrielle Züchtung versetzungsfreier Silizium-Einkristalle nach der Floating Zone (FZ) Methode trifft bei steigendem Kristalldurchmesser auf zwei wesentliche Hindernisse: das Risiko des elektrischen Durchschlags am Induktor und die Gefahr der Versetzungsbildung bzw. das Platzen des Kristalls infolge hoher thermomechanischer Spannungen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung geeigneter Wachstumsbedingungen und Methoden zur Überwindung dieser Probleme. Mit Hilfe eines numerischen Modells des FZ Prozesses werden Lösungsmöglichkeiten für die genannten Probleme erarbeitet und experimentell auf deren Umsetzbarkeit überprüft. Der Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter auf die thermischen Spannungen im wachsenden Kristall wird verglichen. Die Möglichkeit des Einsatzes einer zusätzlichen Strahlungsheizung zur Reduzierung thermischer Spannungen wird experimentell untersucht. Das Risiko des elektrischen Durchschlags lässt sich durch die Absenkung der Frequenz des Induktorstromes verringern. Ein FZ Prozess bei niedrigerer Arbeitsfrequenz für Siliziumkristalle großen Durchmessers ist bisher in der Literatur nicht beschrieben und dessen Realisierung stellt einen Schwerpunkt der Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit dar. Es wird ein Versuchsaufbau vorgestellt, der die Züchtung von versetzungsfreien Einkristallen bei reduzierter Arbeitsfrequenz ermöglicht. Dabei wird ausführlich auf das Abschmelzen des Vorratsstabes eingegangen, welches in diesem Zusammenhang eine besondere Schwierigkeit darstellt. Der Einfluss der Frequenz auf die Kristallisationsphasengrenze und die Widerstandsverteilung wird durch Messungen an den gezüchteten Kristallen bestimmt. Eine zentrale Aufgabe bei der Entwicklung eines Prozesses zum Züchten großer Durchmesser ist die Gestaltung geeigneter Induktoren. Hierzu werden Ergebnisse der dreidimensionalen numerischen Simulation der Jouleschen Wärmeverteilung infolge der speziellen Induktorgeometrie vorgestellt.
The industrial growth of dislocation-free silicon single crystals with large diameter by the floating zone (FZ) method meets two major drawbacks: the increasing risk of arcing at the inductor and the generation of dislocations or cracking of the crystal due to high thermo-mechanical stress. Subject of this thesis is the investigation of suitable growth conditions and methods to overcome these limiting factors. With the help of a numerical model of the FZ process solutions for these problems are investigated and examined on feasibility by experiments. The influence of different process parameters on the thermo-mechanical stress in the growing crystal is compared. The possibility to use an additional radiation heater to reduce thermal stress is examined. The risk of arcing can be reduced by lowering the frequency of the inductor current. A FZ process at reduced working frequency for large-diameter silicon crystals is not yet described in the literature and its implementation is a key aspect of this thesis. Detailed attention is drawn to the melting behavior of the feed rod, as this is a particular difficulty in this context. Furthermore, it is elaborated on the impact on the crystallization interface and the resistivity distribution on the basis of measurements on crystals grown at reduced frequency. An essential task in the development of a process for the growth of large-diameter Si crystals is the design of a suitable inductor. Results from three-dimensional numerical simulations of the distribution of the Joulean heat due to the specific shape of the inductor are presented.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38869
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3830
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3533
Exam Date: 11-Oct-2012
Issue Date: 15-Mar-2013
Date Available: 15-Mar-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Floating Zone Verfahren
Kristallzüchtung
Silizium
Crystal growth
Floating zone process
Silicon
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