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WO2014202284A1 - Crystallisation system and crystallisation method for crystallisation from electrically conductive melts, and ingots that can be obtained by means of the method - Google Patents

Crystallisation system and crystallisation method for crystallisation from electrically conductive melts, and ingots that can be obtained by means of the method Download PDF

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Publication number
WO2014202284A1
WO2014202284A1 PCT/EP2014/059684 EP2014059684W WO2014202284A1 WO 2014202284 A1 WO2014202284 A1 WO 2014202284A1 EP 2014059684 W EP2014059684 W EP 2014059684W WO 2014202284 A1 WO2014202284 A1 WO 2014202284A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heater
crucible
ingot
magnet module
crystallization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/059684
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Natascha Dropka
Christiane Frank-Rotsch
Ralph-Peter Lange
Petra Krause
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Publication of WO2014202284A1 publication Critical patent/WO2014202284A1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/42Gallium arsenide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/007Mechanisms for moving either the charge or the heater
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the invention relates to a crystallization plant for the production of ingots by directional solidification of electrically conductive melts, a process for growing crystals by means of the aforementioned crystallization plant, as well as ingots produced or preparable by the process with homogeneous properties.
  • a heater-magnet module arrangement (HMM) is disclosed specifically for the crystallization of PV silicon in rectangular containers, which incorporates a rectangular, concentric ceiling heater for the generation of Lorentz force densities.
  • a combination of lateral heater magnet module and ceiling heater is shown.
  • the expected Lorentz force density in this arrangement is directed in an analogous manner to a laterally arranged heater-magnet module inwardly to the imaginary center.
  • the electrical leads of the ceiling heater which are routed directly horizontally across the coil windings, would completely extinguish a magnetic traveling field generated in this area, so that the ceiling heater is unsuitable for targeted generation of Lorentz force density distributions in electrically conductive melts.
  • DE 10 2010 041 061 A1 discloses a method and an apparatus for producing crystals by directional solidification from electrically conductive melts.
  • the device has a crucible for holding the melt, a ceiling heater and a Power supply unit.
  • a magnetic field can be set, which generates a crystallization front with a convex contour
  • Ingots can be monocrystalline or polycrystalline.
  • Monocrystalline ingots can be produced by different crystal growing methods. As a rule, the growth takes place from the melt, wherein the Czochralski method is usually used in silicon and other semiconductor materials.
  • Polycrystalline ingots (also referred to as multicrystalline ingots) are mainly used as Si ingots in photovoltaics for the production of solar cells and in micromechanics. If in the course of the application case by case of crystal or single crystal is mentioned, so hereby a monocrystalline ingot is meant.
  • the object of the invention is to provide a method and suitable arrangements in order to further increase the crystal quality, in particular the homogeneity.
  • the crystallization plant includes:
  • each crucible is associated with a heater-magnet module
  • a control and power supply unit for the heater-magnet module iiii. a control and power supply unit for the heater-magnet module.
  • the heater-magnet module (HMM) assigned to the respective crucible is arranged and electrically driven in such a way that a Lorentz force density field can be generated, which is directed in such a way that the resulting force acts outward in the direction of growth relative to a geometric center axis of the crucible ,
  • the crystallization plant according to the invention accordingly has one or more crucibles.
  • Each crucible is assigned a heater-magnet module.
  • the heater-magnet module is arranged above in such a way that it is aligned centrally or substantially centrally to the geometric center axis of the crucible (hereinafter also referred to as ceiling heater-magnet module (DHHM)).
  • DHHM ceiling heater-magnet module
  • the heater-magnet modules are driven in a conventional manner by specifying amplitude, phase angle, etc. for generating a traveling magnetic field in the melt. In this case, the magnetic field in the melt is influenced so that a directed from the inside to the outside and thereby in the direction of the crystallization front flow is generated in the melt.
  • the resulting force action of the Lorentz field thus extends at an angle to the geometric center axis of the crucible.
  • the invention thus provides a novel apparatus for directional crystallization of preferably semiconductor crystals of electrically conductive melts in crucible arrangements according to the vertical gradient method (VGF) as the preferred method.
  • VVF vertical gradient method
  • the invention enables the generation of Lorentz forces directed downwardly and radially outwardly from any imaginary point of the melt, and thereby simultaneously mixing the melt and producing a convexly curved solid-liquid phase boundary without inflection points.
  • the Lorentz forces are by means of one above the crucible arranged heater magnet module (ceiling heater magnet module (DHMM)) produced analogously to the so-called KristMAG method.
  • the coils of the ceiling heater magnet module are preferably fed with alternating current at a phase angle, wherein the phase angle between the coils may increase from the center, but is variable.
  • Convex phase boundaries are also adjustable using this arrangement, but there is always an undesirable concave portion of the phase boundary shape near the crucible edge. This concave portion can trigger polycrystalline structures in single crystal growth.
  • the new arrangement can also be applied to Bridgman or DS crystallization plants, in which case the outer edge of the ceiling heater module preferably follows the outer crucible edge shape. Also in the crystallization of multicrystalline material, such. As PV silicon, the avoidance of W-shaped solid / liquid phase boundary is positive for the yield of higher quality material, since the beginning of the crucible edge ingrowth of very small grains can then be reduced.
  • the power supply lines to the heater magnet module form an angle which ensures that the magnetic field induced by the power supply lines suppresses the magnetic field of the heater magnet. Module not affected.
  • the electrical leads are arranged parallel to the central axis of the crucible. In the described novel crystallization system so the power supply lines are arranged so that they are close to the Schuerwindung (coils) perpendicular and are performed radially only at the maximum distance.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the outer shape of the heater-magnet module according to the invention is concentric. As a result, it is preferable, but not essential, for the inner crucible shape to follow a circle as well.
  • the resulting advantage is that the resulting Lorentz force field and, as a result, the flow field in the melt can be set highly symmetrical with a less expensive and thus less error-prone control and has a minimum density of perturbations.
  • one or more coils of a heater-magnet module preferably form a circle or a spiral.
  • the heater magnet module, in particular the ceiling heater magnet module consists of any number of coils. Here, various types of arrangement are possible.
  • the coils of the heater-magnet module thus form a spiral whose spiral winding is divided into two or more coils electrically isolated from each other (preferably 2 to 4 coils).
  • the spiral may take the form of an Archimedes spiral (equivalent pitch), logarithmic spiral or spring-form spiral.
  • Circular embodiments of the heater-magnet module can be obtained, for example, by two or more coils arranged annularly around the center point of the heater-magnet module.
  • the annular coils may in each case comprise a plurality of turns running around the middle point, wherein a transition between the individual turns of a coil preferably takes place stepwise in order to obtain largely concentrically constructed coil turns.
  • the heater-magnet modules are to use coils of different winding height or with a different winding cross-section. Furthermore, the coils can be arranged at different distances from the crystallization front; the coils are then not arranged in a common plane of the heater-magnet module. Alternatively or additionally, a variation of the winding height, the winding cross-section or distance to the crystallization front is also conceivable within a single coil. The variation of the Lorentz forces and the heat distribution with a heater-magnet module, which includes only a single coil, is particularly preferred because the power supply is much easier.
  • the crystallization plant preferably has two or more crucibles (More crucible assembly). Each crucible is associated with a heater-magnet module of the embodiment described above. The number of crucibles can be chosen arbitrarily. The heater-magnet modules induce an equal or largely equal Lorentz force field in each crucible. Thus, it is possible to grow crystals of very high similarity and quality simultaneously.
  • a further aspect of the invention is the provision of a method for crystal growth from electrically conductive melts, which comprises the following (successive) steps:
  • the method according to the invention enables the preparation of crystals with high homogeneity with respect to crystal quality, in particular a homogeneous, low dislocation density in single crystals.
  • a Lorentz force field is preferably induced, which is centrosymetric metric, in which therefore the resulting Lorentz forces act zentrosym metric.
  • the ceiling heater magnet modules of the crystallization system can be operated by means of predetermined current amplitudes. It is also conceivable to modulate the applied alternating current for the generation of the Lorentz force densities in the melt, for example in the form of a sinusoidal modulation.
  • the modulation can be a variation of the amplitudes of the AC, the amplitudes of the modulation itself, as well as the periods of modulation include.
  • the temporal modulation of the current can be done with different parameters. Due to the modulation particularly symmetrical temperature and magnetic field distributions can be generated in the crucible used, because slightly existing asymmetries in the generated magnetic field are averaged.
  • the geometry and relative position of the individual coils in the heater-magnet module is observed.
  • the coils are driven sequentially in such a way that they generate a time-dependent magnetic traveling field in the melt.
  • the frequency significantly affects the penetration depth and strength of the Lorentz forces thereby affecting the direction of the Lorentz forces.
  • the penetration depth decreases and the intensity of the Lorentz forces and the inclination angle of the Lorentz force to the winding surface increase.
  • the choice of frequency still depends on the electrical conductivity of the melt and thus also on the desired penetration depth.
  • the phase shift affects the Lorentz force intensity only relatively weak (weak at low frequencies, but the influence of the phase shift increases at higher frequencies).
  • the influence of the phase shift on the direction of the Lorentz forces is significant. As the phase shift increases, the intensity decreases, with the optimum depending on the frequency. In general, the phase shift should be set such that the resulting Lorentz force is at a slope away from the central vertical axis of the melt. By appropriate specifications of the phase shift or alignment of the Lorentz force, the direction of the magnetic traveling fields generated can be influenced. The current amplitude directly determines the Lorentz force intensity; with increasing amplitude, the Lorentz force increases sharply. The Lorentz force should be higher than the buoyancy force in the melt.
  • the method according to the invention can be used both for semiconductor materials (arsenides, silicon, germanium, etc.) and other electrically conductive materials such as molten metal or oxides.
  • the process described leads to monocrystalline ingots which differ in their crystal properties from conventionally prepared ingots. These ingots provide one another aspect of the invention.
  • Monocrystalline ingots which can be prepared or prepared according to the invention can be distinguished from known monocrystalline ingots as described below. This is defined
  • a core portion constructed of a body having the same central axis as the outer shape of the ingot and whose base G K corresponds to seven tenths of the root area Gi of the ingot;
  • edge region constructed from the according to i. remaining hollow body whose base G R corresponds to three tenths of the base G K of the ingot.
  • the edge area is thus defined so that it is perpendicular to each cut surface perpendicular to
  • Central axis of the ingot corresponds to one third of the total area of the cut surface and always has the greatest possible distance from the central axis.
  • the ingots according to the invention can now be characterized, inter alia, by a mean etch pit density EPD (R) in the edge region exceeding a mean etch pit density EPD (K) in the core region by a maximum of 75%. It therefore applies:
  • the orientation according to the invention of the Lorentz forces in the direction of the crucible edge avoids the occurrence of a point of inflection in the crystallization front near the edge of the crystal.
  • ingots produced by the process have significantly altered crystal properties, which can be characterized, for example, by a deviating radial profile of the dislocation density p.
  • the dislocation density p is the total length of all dislocation lines per unit volume in a crystalline solid.
  • One known way of visualizing dislocations and determining their density is to etch the crystals in question on a surface. This results in so-called etching pits whose density can be counted in a light microscope (eg according to DIN specifications). The resulting etch pit density, engl.
  • Etching pit density, EPD for short is a measure of the quality of semiconductor wafers, especially in the semiconductor industry.
  • the EPD is determined radially, ie along a line from the center of the crystal center to the edge of the crystal. This line runs along a half-shell on a cutting plane transverse to the growth direction of the crystal.
  • the radial EPD curve in ingots according to the invention is not W-shaped, that is, the course does not decrease from the middle to the edge, then again increase sharply in the outer edge region. Rather, a nearly constant radial EPD results.
  • the EPD is 120% higher in the edge region than at the lowest point in the core region and increased by 85% over the mean in the core region.
  • the increase in the dislocation density in the edge region of the crystals is particularly pronounced in the ⁇ 100> direction (investigations on a VGF GaAs crystal with a diameter of 100 mm).
  • the average EPD is at most 75% above the mean value of the EPD of the core region, in particular at most 50% above the mean value of the core region, ie EPD (R) ⁇ li EPD (K), more preferably at most 25% above the EPD in the core region.
  • the intrinsic defect density is measured in certain areas. Defective concentration refers to the ratio of the number of defects in the lattice structure of a solid to the total number of lattice sites. Lattice defects in a solid occur because they bring an entropy gain through disorder.
  • the homogeneity of the intrinsic defect density over the crystal can now be used.
  • the intrinsic defect density (EL2) is determined in the edge region and core region, the edge region and core region being specified again, as previously in the determination of the etching pit density.
  • the self-defect density is usually considerably lower in the edge region than in the core region.
  • the self-defect density EL2 (R) in the edge region is at most ⁇ 50%, preferably ⁇ 25%, in particular ⁇ 10% lower than the self-defect density EL2 (K) in the core region.
  • the electrical resistance distribution (EU) can also be determined radially and used to delineate the ingots according to the invention from conventionally produced ingots.
  • the electrical resistance distribution EU (R) in the edge region is increased by at most ⁇ 10%, preferably ⁇ 5%, in comparison with a resistance distribution EU (K) in the core region.
  • Edge and core area are as defined above.
  • an improved mixing of the melt is achieved, which, for example in the case of GaAs crystals, has an effect on the distribution of As precipitates in the crystal and thus on the particle number on the polished surface of a cut in the radial direction of the ingot. Particularly large As precipitates appear on the polished surface as particles (diameter> 0.3 ⁇ ). By reducing the As precipitates and distribution of the As excess in GaAs in uniformly distributed precipitates in sizes ⁇ 0.3 ⁇ therefore smaller numbers of particles could be achieved.
  • the ingots according to the invention in particular monocrystalline ingots, can also be distinguished from conventionally produced ingots in that the particle number PZ (R) in the edge region shows a smaller deviation from the particle number PZ (K) in the core region.
  • the particle number PZ (R) in the edge region is at most ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% higher than the particle density PZ (K) in the core region. Is inevitable also the cumulative particle number PZ is lowered over the edge and core region in the ingot produced according to the invention.
  • particle numbers PZ ⁇ 40 per wafer (100 mm diameter) and for a crystal with 150 mm diameter ⁇ 75 cm "2 result .
  • ingots which can be produced or produced according to the invention in particular monocrystalline ingots, can thus be distinguished by one, several or all of the following properties from known ingots:
  • a ratio of etch pit density EPD (K) in the core region to etch pit density EPD (R) in the edge region satisfies the formula: EPD (R) ⁇ EPD (K); b) a stress distribution SV (R) in the edge region is not increased by more than 100% in comparison to a stress distribution SV (K) in the core region;
  • an electrical resistance distribution EU (R) in the edge area is increased by at most ⁇ 10% compared to a resistance distribution EU (K) in the core area; and d) a particle number PZ (R) in the edge region is increased by at most ⁇ 10% in comparison to a particle density PZ (K) in the core region,
  • the core region is constructed from a body having the same central axis and corresponding to the outer shape of the ingot, the base area of which corresponds to seven tenths of the base area of the ingot.
  • the edge area is constructed from the remaining hollow body, the base area of which corresponds to three tenths of the base area of the ingot.
  • the base of the ingot corresponds to the area which results in a section perpendicular to the central axis of the ingot.
  • the crystallization process according to the invention can be used in particular for the production of ingots from materials having electrical conductivities in the range from 10 to 10 8 S / m.
  • the method according to the invention is preferably suitable for the growth of single crystals, such as GaAs with larger diameters (100-200 mm).
  • the GaAs single crystal has in particular one or more of the properties mentioned under a) to d).
  • FIG. 1 is a schematic sectional view through a crystallization system with laterally arranged a crucible heater magnet modules according to the prior
  • 2A-D are schematic sectional views through a crystallization system with above a crucible arranged heater magnet modules in four embodiments,
  • Fig. 3A-C are schematic representations of arranged in heater-magnet modules
  • 4A-C are schematic representations of winding shapes in coils of a device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a ceiling heater magnet module in the form of an Archimedes spiral with two
  • 6A / B show a simulated Lorentz force density distribution in a GaAs melt generated by a ceiling heater magnet module consisting of 3 coils, generated with differing AC frequency
  • FIGS. 7A-E show time-sinusoidal modulations of the Lorentz force in the melt
  • FIGS. 8A / B simulated three-dimensional temperature distributions of a crystal after one
  • Embodiment of the method according to the invention in the case of a) sinusoidally modulated current intensity and b) constant alternating current amplitude in the control of a heater-magnet module according to the invention,
  • Fig. 10 is a schematic representation of a constructible core
  • FIG. 1 1 is a schematic representation of a ceiling heater magnet module according to a further embodiment of the invention, each with a coil as a multi-pot arrangement of four crucibles.
  • FIG. 1 shows in a highly schematic manner a sectional view through a crystallization unit 1 according to the prior art.
  • the crystallization unit 1 comprises a crucible 10 for receiving an electrically conductive melt 30.
  • standard heaters 60 and 62 respectively, are arranged in the lid or base of the crystallization unit 10.
  • heater-magnet modules 20 Laterally arranged on the crystallization unit 1 are heater-magnet modules 20, which comprise three coils 21 in the illustrated embodiment.
  • the heater-magnet module 20 can be controlled by means not shown power supply lines such that a directional Lorentz force field 40 results.
  • the resulting Lorentz force field 40 points to a geometric center axis 50 of a growing single crystal 32, wherein the geometric center axis 50 of the crystal coincides with the geometric center axis 50 of the crucible.
  • the force field of the displacement direction of a solid / liquid phase boundary 31 is directed opposite.
  • a directed Lorentz density force field 40 acts as a function of its parameters (for example, strength, direction, distribution, etc.) on the particle movement of an electrically conductive melt 30, so that by controlling the parameters of the Lorentz force field 40, a thorough mixing of the melt 30, and the shape of the solid / liquid-phase boundary 31 can be induced and controlled.
  • Convex phase boundaries 33 can also be set using this application, but there is always an undesirable concave portion of the phase boundary 34 in the vicinity of the crucible edge. This concave portion of the phase boundary 34 can trigger polycrystalline structures.
  • FIGS. 2A-C show crystallization plants 1 in four embodiments.
  • the crystallization unit 1 allows the directed crystallization of single crystals of electric melts in crucible arrangements according to the vertical gradient method (VGF), but is also applicable to crystallization systems according to the Bridgman or DS method, wherein the outer edge of the lid preferably follows the outer crucible shape.
  • VCF vertical gradient method
  • a heater-magnet module 20 is arranged above the crucible.
  • the heater magnet module 20 comprises two coils each.
  • the solid / liquid phase boundary 31 can be influenced by generating a Lorentz force field.
  • alternating current is fed with a phase angle into the coils of the heater-magnet module 20, wherein the phase angle between the coils increases from the center to the outside.
  • Alignment of the Lorentz forces in the direction shown to the edge of the crucible has not previously been described and enables novel possibilities of influencing the shape of the solid / liquid phase boundary 31 (crystallization front) during crystallization.
  • the resulting Lorentz force field 40 is directed outwardly as shown in FIGS. 2A-C and thus induces a convexly curved solid-liquid phase boundary 31. Unlike the arrangement in the prior art in FIG. 1, this also applies to the edge region.
  • Degrees of freedom in the alignment of the resulting Lorentz field are adjustable by the arrangement of the turns of the individual coils 21 and the coils to each other.
  • the two windings for example, of an Archimedes spiral are arranged at the same height.
  • the Lorentz force field 40 is controlled by the parameters of the supplied alternating current, such as current and amplitude.
  • Another embodiment of the crystallization plant according to the invention are spirals 21 with variable winding height (see FIGS. 2C / D); Here, by varying the winding height, the distribution of the Lorentz force density 40 and the heat distribution in the melt 32 can be adjusted in a targeted manner.
  • the winding height allows the variation of the Lorentz forces 40 and the heat distribution even in arrangements with only one coil 21. In the described arrangements, embodiments are also possible in which the turns of the coil 21 are not in one plane.
  • the freely selectable distance of the individual windings to the crystallization front opens up further freedom in the adjustment of the temperature and magnetic fields in the melt (see FIG. 2A).
  • FIGS 3A-C show a selection of possible embodiments of the coils 21 in concentrically shaped heater-magnet modules.
  • 3A a so-called star-shaped coil 21 is shown (the heater-magnet module here comprises only a single coil), while FIG. 3C shows a typical Archimedes spiral composed of three coils 21.1.
  • the spiral arrangement of two coils shown in FIG. 3B 21.1 and 21.2 has stepped windings.
  • the coils arranged in the heater-magnet module 20 according to the invention can also vary in the arrangement of the turns.
  • the coils arranged in the heater-magnet module 20 according to the invention can also vary in the arrangement of the turns.
  • the coils arranged in the heater-magnet module 20 according to the invention can also vary in the arrangement of the turns.
  • FIG. 4B logarithmic forms
  • FIG. 4C spring-forming spirals
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a heater-magnet module 20 according to the invention, which is arranged as a ceiling heater above the crucible 10.
  • the heater-magnet module 20 is composed of an inner coil 21.1 and an outer coil 21.2, which are designed concentrically in the form of an Archimedes spiral. Also shown are the power supply lines 221 and 222 of the inner coil 21.1, as well as the power supply lines 231 and 232 for the outer coil 21.2, designed as a connection for AC voltage.
  • it is important to perform the power supply lines so that they are perpendicular to the windings of the heater magnet module and parallel only at the greatest possible distance. Otherwise, the Lorentz force field generated by the heater-magnet module 20 could be completely or partially extinguished, which in turn would lead to inhomogeneities in the melt and ultimately to polycrystalline inclusions.
  • a crystallization plant 1 with a multi-seal arrangement is shown in FIG. 11.
  • the crystallization unit 1 comprises a total of four crystallization units of the same structure.
  • a unit comprises in each case a crucible 10 and a heater magnet module 20 with a coil 21 arranged above the crucible opening.
  • Each coil 21 has two power supply lines 211, 212 with a connection for alternating current at the inner starting point of the coil 21 and a further connection on the coil outer end point of the coil 21st
  • the power supply lines 21 1, 212 of the individual coils run first perpendicular to the turns of the coils 21 upwards and then in a star shape to a central terminal 200, which in turn is arranged concentrically above the crucible arrangement. Above the central terminal 200, the terminal 201 for the coil starts and the terminal 202 for the coil ends again apart to be connected to a power source, not shown.
  • FIGS. 6A / B show simulations of a Lorentz force density distribution in a GaAs melt produced by a heater magnet module according to the invention consisting of 3 coils.
  • the distribution of the Lorentz force field is controllable by parameters of the applied alternating current, such as the frequency, as well as the phase angle between the coils.
  • a device can be operated both by the supply of predetermined current amplitudes, as well as driven by an additional novel method.
  • the alternating current which is used for generating the Lorentz force densities in the melt is preferably time-modulated sinusoidally. It is possible to change the amplitudes of the alternating current, the amplitudes of the modulation, as well as the period of the modulation.
  • the temporal modulation of the current can be done with different parameters, as shown in Figures 7A-E. In one embodiment, modulation with a period of 20 seconds ( Figure 7D) proved to be particularly suitable.
  • the mentioned variants of the method can produce particularly symmetrical temperature and magnetic field distributions in the crucibles used and contain slightly existing asymmetries in the generated magnetic field.
  • FIGS. 8A / B three-dimensionally show the temperature distributions in a crucible.
  • the distance between the lines is a measure of the temperature profile, the temperature increases with increasing line spacing.
  • the temperature shows in a range of 1550 K to 1600 K particularly closely spaced lines.
  • the partial representations illustrate the influence of sinusoidally modulated current intensity (FIG. 8A) and the influence of a constant alternating current amplitude (FIG. 8B) on the temperature field.
  • An ingot produced according to the invention is characterized in that it is homogeneously crystalline over its entire radial extent, ie from its core region to the edge region, in comparison to ingots which are cultivated according to the prior art.
  • a measure of this radial homogeneity is, for example, the dislocation density.
  • the dislocation density over etch pit density (EPD) is experimentally accessible. This is determined by treating the crystal surface to be considered with a selectively etching reagent. This creates trenches at the dislocations, which are visible under a microscope as lines whose number per unit area corresponds to the ⁇ tzgrubenêt.
  • FIG. 9 shows the course, determined experimentally for the surface, of the etched pit density of a half-shell of a GaAs produced by the known KristMAG process, which surface is determined experimentally.
  • Crystal solid line
  • the abscissa shows the distance a from the central axis of the crystal.
  • the central axis falls in the coordinate origin.
  • the ordinate carries the experimental EPD of the two crystals.
  • the typical W-shape (seen in the figure only as a "half W” since only a half-shell is shown), which is the dislocation density of a prior art crystal.
  • the maximum value of the etched pit density of the investigated crystal is almost double in the edge region For crystals produced by the process according to the invention, it is to be expected that they do not show this typical W-curve of the etch pit density. As FIG. 9 shows, the etch pit density increases moderately from the core region to the edge region. but does not go through a local minimum.
  • edge region 56 and core region 55 of a crystal 32 is shown schematically in FIG.
  • the core region 55 is to be understood as a body whose outer shape corresponds to the crystal form.
  • the base 51 of the body in the core region 55 is reduced by a third at the same height.
  • Cutting the core region 55 out of the crystal 32 results in a hollow body forming the edge region 56.
  • the base area 51 of the hollow body and thus of the edge area 56 corresponds to one third of the base area of the crystal 32.
  • the base area of the crystal 32 thus results from the sum of the base areas 51 of the core area 55 and the base area 52 of the edge area 56.
  • the central axes 50 of all three bodies , So the core portion 55, edge portion 56 and crystal 32 coincide.

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Abstract

The invention relates to a crystallisation system for producing crystals by means of directional solidification from electrically conductive melts, comprising: • i. at least one crucible (10) for receiving the melt; • ii. a heater-magnet module (20), which has one or more coils (21) and associated electrical supply lines (200), wherein a heater-magnet module is associated with each crucible; and • iii. a control and power-supply unit for the heater-magnet module (20). The heater-magnet module (20) associated with the respective crucible is arranged and electrically controlled in such a way that a Lorentz force density field (40) can be produced, which is directed in such a way that the resulting force effect acts outward against the growth direction in relation to a geometric centre axis (50) of the crucible (10). The invention further relates to a method in which the crystallisation system according to the invention is used and to an ingot that can be produced by means of the method and/or the crystallisation system.

Description

Kristallisationsanlage und Kristallisationsverfahren zur Kristallisation aus elektrisch leitenden Schmelzen sowie über das Verfahren erhältliche Ingots  Crystallization plant and crystallization process for the crystallization of electrically conductive melts and ingots available via the process

Die Erfindung betrifft eine Kristallisationsanlage zur Herstellung von Ingots durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen, ein Verfahren zur Kristallzüchtung mittels vorgenannter Kristallisationsanlage, sowie nach dem Verfahren hergestellte oder herstellbare Ingots mit homogenen Eigenschaften. The invention relates to a crystallization plant for the production of ingots by directional solidification of electrically conductive melts, a process for growing crystals by means of the aforementioned crystallization plant, as well as ingots produced or preparable by the process with homogeneous properties.

Technologischer Hintergrund Technological background

Die gegenwärtige Entwicklung in der Kristallzüchtung strebt vor allem eine Steigerung der Produktivität bei der Kristallisation aus Schmelze an. Hierbei wird auch der Ansatz der simultanen Kristallisation in mehreren Tiegeln verfolgt (DE 10 2007 026 298 A1 ). Neben der Steigerung der Produktivität liegt in der Verbesserung der Materialeigenschaften ein weiterer Schwerpunkt der Verfahrensentwicklung von kristallinen Materialien, bei den Eigenschaften liegt der Augenmerk auf der Homogenität und Perfektion der Materialien. The current development in crystal growth is aimed above all at increasing the productivity of the crystallization from the melt. Here, the approach of simultaneous crystallization in several crucibles is pursued (DE 10 2007 026 298 A1). In addition to the increase in productivity, another focus of the process development of crystalline materials lies in the improvement of the material properties, with the properties focusing on the homogeneity and perfection of the materials.

In DE 10 2009 045 680 A1 wird speziell für die Kristallisation von PV Silizium in rechteckigen Containern eine Heizer-Magnet-Modulanordnung (HMM) offenbart, die einen rechteckigen, konzentrischen Deckenheizer für die Erzeugung von Lorentzkraftdichten mit einbezieht. Es wird eine Kombination von seitlichem Heizer-Magnet-Modul und Deckenheizer dargestellt. Die zu erwartende Lorentzkraftdichte in dieser Anordnung ist analog eines seitlich angeordnetem Heizer-Magnet-Moduls nach innen zum gedachten Mittelpunkt gerichtet. Die direkt horizontal über die Spulenwindungen geführten elektrischen Zuleitungen des Deckenheizers würden ein in diesem Bereich erzeugtes magnetisches Wanderfeld komplett auslöschen, so dass der Deckenheizer für eine gezielte Erzeugung von Lorentzkraftdichteverteilungen in elektrisch leitenden Schmelzen ungeeignet ist.  In DE 10 2009 045 680 A1, a heater-magnet module arrangement (HMM) is disclosed specifically for the crystallization of PV silicon in rectangular containers, which incorporates a rectangular, concentric ceiling heater for the generation of Lorentz force densities. A combination of lateral heater magnet module and ceiling heater is shown. The expected Lorentz force density in this arrangement is directed in an analogous manner to a laterally arranged heater-magnet module inwardly to the imaginary center. The electrical leads of the ceiling heater, which are routed directly horizontally across the coil windings, would completely extinguish a magnetic traveling field generated in this area, so that the ceiling heater is unsuitable for targeted generation of Lorentz force density distributions in electrically conductive melts.

Mittels der in DE 10 2007 026 298 A1 beschriebenen Anordnung für die simultane Kristallzüchtung in mehreren Tiegeln ist es nicht möglich, ein symmetrisches Lorentzkraftfeld in elektrisch leitenden Schmelzen zu erzeugen.  By means of the arrangement described in DE 10 2007 026 298 A1 for the simultaneous crystal growth in several crucibles, it is not possible to produce a symmetrical Lorentz force field in electrically conductive melts.

DE 10 2010 041 061 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen. Die Vorrichtung verfügt über einen Tiegel zur Aufnahme der Schmelze, einen Deckenheizer und eine Stromversorgungseinheit. Mittels der Vorrichtung kann ein Magnetfeld eingestellt werden, das eine Kristallisationsfront mit konvexer Kontur erzeugt DE 10 2010 041 061 A1 discloses a method and an apparatus for producing crystals by directional solidification from electrically conductive melts. The device has a crucible for holding the melt, a ceiling heater and a Power supply unit. By means of the device, a magnetic field can be set, which generates a crystallization front with a convex contour

DE 10 2008 027 359 B4 beschreibt eine Möglichkeit der Änderung der Magnetfeldrichtung und Stärke bei Verwendung eines seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Moduls. Dort wird offenbart, dass es mittels einer solchen Anordnung möglich ist eine bessere Durchmischung der Schmelze durch Erhöhung von Geschwindigkeiten unter Einfluss eines zeitlich veränderlichen TMF zu erzielen.  DE 10 2008 027 359 B4 describes a possibility of changing the magnetic field direction and strength when using a laterally arranged heater-magnet module. There it is disclosed that it is possible by means of such an arrangement to achieve better mixing of the melt by increasing velocities under the influence of a time-varying TMF.

In DE 10 2007 028 548 B4 wird eine Kombination von seitlichem Heizer-Magnet-Modul mit einer Heizer-Magnet-Modul in Bodenheizerausführung vorgestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Anordnung nach Czochralski.  In DE 10 2007 028 548 B4 a combination of side heater magnet module with a bottom heater heater heater magnet module is presented. The illustrated embodiment shows an arrangement according to Czochralski.

All den genannten Verfahren ist der allgemeine Aufbau in Figur 1 gemeinsam. Es resultieren die eingezeichneten Lorentzkraftdichten. Mit diesen Verfahren können Kristalle guter Qualität erzeugt werden. Allerdings kommt es im Randbereich zu einer ungünstigen Wirkung des Magnetfeldes auf die fest/flüssig-Phasengrenze bei der Kristallzüchtung. Der in Figur 1 angedeutete konkave Verlauf der Phasengrenze im Randbereich kann zu polykristallinen Strukturen im Randbereich von Einkristallen bzw. zu Ingots mit besonders kleiner Kornstruktur führen.  All of the mentioned methods have the general structure in FIG. 1 in common. This results in the marked Lorentz force densities. With these methods, crystals of good quality can be produced. However, there is an unfavorable effect of the magnetic field on the solid / liquid phase boundary during crystal growth in the edge region. The concave profile of the phase boundary in the edge region indicated in FIG. 1 can lead to polycrystalline structures in the edge region of single crystals or to ingots with a particularly small grain structure.

Ingots können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein. Monokristalline Ingots können durch unterschiedliche Kristallzuchtverfahren hergestellt werden. In der Regel erfolgt die Züchtung aus der Schmelze, wobei üblicherweise das Czochralski-Verfahren bei Silicium und auch anderen Halbleitermaterialien eingesetzt wird. Polykristalline Ingots (auch als multikristalline Ingots bezeichnet) werden hauptsächlich als Si-Ingots in der Photovoltaik zur Herstellung von Solarzellen und in der Mikromechanik verwendet. Wenn im Zuge der Anmeldung fallweise von Kristall oder Einkristall die Rede ist, so ist hiermit ein monokristalliner Ingot gemeint.  Ingots can be monocrystalline or polycrystalline. Monocrystalline ingots can be produced by different crystal growing methods. As a rule, the growth takes place from the melt, wherein the Czochralski method is usually used in silicon and other semiconductor materials. Polycrystalline ingots (also referred to as multicrystalline ingots) are mainly used as Si ingots in photovoltaics for the production of solar cells and in micromechanics. If in the course of the application case by case of crystal or single crystal is mentioned, so hereby a monocrystalline ingot is meant.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und geeignete Anordnungen bereitzustellen, um die Kristallqualität, insbesondere die Homogenität, weiter zu erhöhen.  The object of the invention is to provide a method and suitable arrangements in order to further increase the crystal quality, in particular the homogeneity.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Ein oder mehrere Probleme des Standes der Technik werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen gelöst oder zumindest gemindert. Die Kristallisationsanlage umfasst dazu: One or more problems of the prior art are directed by means of the crystallization plant according to the invention for the production of crystals Solidification dissolved from electrically conductive melts or at least reduced. The crystallization plant includes:

i. mindestens einen Tiegel zur Aufnahme der Schmelze; i. at least one crucible for receiving the melt;

ii. ein Heizer-Magnet-Modul, mit ein oder mehreren Spulen und dazugehörigen elektrischen Zuleitungen, wobei jedem Tiegel ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet ist; und ii. a heater-magnet module, with one or more coils and associated electrical leads, each crucible is associated with a heater-magnet module; and

iii. eine Steuer- und Stromversorgungseinheit für das Heizer-Magnet-Modul. iii. a control and power supply unit for the heater-magnet module.

Das dem jeweiligen Tiegel zugeordnete Heizer-Magnet-Modul (HMM) wird derart angeordnet und elektrisch angesteuert, dass ein Lorentzkraftdichtefeld erzeugbar ist, welches derart gerichtet ist, dass die resultierende Kraftwirkung - relativ zu einer geometrischen Mittelachse des Tiegels - entgegen der Wachstumsrichtung nach außen wirkt.  The heater-magnet module (HMM) assigned to the respective crucible is arranged and electrically driven in such a way that a Lorentz force density field can be generated, which is directed in such a way that the resulting force acts outward in the direction of growth relative to a geometric center axis of the crucible ,

Die erfindungsgemäße Kristallisationsanlage weist demnach ein oder mehrere Tiegel auf. Jedem Tiegel ist ein Heizer-Magnet-Modul zugeordnet. Das Heizer-Magnet-Modul ist oberhalb angeordnet und zwar derart, dass es mittig oder weitgehend mittig zur geometrischen Mittelachse des Tiegels ausgerichtet ist (Nachfolgend auch als Decken- Heizer-Magnet-Modul (DHHM) bezeichnet). Die Heizer-Magnet-Module werden in an sich bekannter Weise durch Vorgabe von Amplitude, Phasenwinkel etc. zur Erzeugung eines Wandermagnetfeldes in der Schmelze angesteuert. Dabei wird das Magnetfeld in der Schmelze so beeinflusst, dass eine von innen nach außen und dabei in Richtung der Kristallisationsfront gerichtete Strömung in der Schmelze erzeugt wird. Die resultierende Kraftwirkung des Lorentzfeldes verläuft also in einem Winkel zur geometrischen Mittelachse des Tiegels. Mit der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage kann insbesondere die Krümmung einer fest/flüssig-Phasengrenze verringert und auf diese Weise die Homogenität des Erstarrungsprozesses über das gesamte Tiegelvolumen verbessert werden.  The crystallization plant according to the invention accordingly has one or more crucibles. Each crucible is assigned a heater-magnet module. The heater-magnet module is arranged above in such a way that it is aligned centrally or substantially centrally to the geometric center axis of the crucible (hereinafter also referred to as ceiling heater-magnet module (DHHM)). The heater-magnet modules are driven in a conventional manner by specifying amplitude, phase angle, etc. for generating a traveling magnetic field in the melt. In this case, the magnetic field in the melt is influenced so that a directed from the inside to the outside and thereby in the direction of the crystallization front flow is generated in the melt. The resulting force action of the Lorentz field thus extends at an angle to the geometric center axis of the crucible. With the crystallization plant according to the invention, in particular, the curvature of a solid / liquid phase boundary can be reduced and in this way the homogeneity of the solidification process can be improved over the entire crucible volume.

Die Erfindung stellt somit eine neue Vorrichtung zur gerichteten Kristallisation von bevorzugt Halbleiterkristallen aus elektrisch leitenden Schmelzen in Tiegelanordnungen nach dem vertikalen Gradient Verfahren (VGF) als die bevorzugte Methode zur Verfügung. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Lorentzkräften die von jedem gedachten Punkt der Schmelze nach unten und radial nach außen gerichtet sind und damit gleichzeitig die Schmelze durchmischen und eine konvex gekrümmte fest/flüssig-Phasengrenze ohne Wendepunkte erzeugen können. Die Lorentzkräfte werden mittels eines oberhalb des Tiegels angeordnetem Heizer-Magnet-Moduls (Decken-Heizer-Magnet-Moduls (DHMM)) analog dem sogenannten KristMAG-Verfahren erzeugt. Die Spulen des Decken-Heizer-Magnet-Moduls werden bevorzugt mit Wechselstrom mit einem Phasenwinkel gespeist, wobei der Phasenwinkel zwischen den Spulen von der Mitte zunehmen kann, aber variabel ist. Eine Ausrichtung der Lorentzkräfte in der gezeigten Richtung zum Tiegelrand ist bisher nicht beschrieben worden und ermöglicht völlig neuartige Einflussmöglichkeiten auf die Form der fest/flüssig-Phasengrenze bei der Kristallisation. Bei Verwendung von seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Modulen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind [z. B. Ch. Frank- Rotsch, U. Juda, B. Ubbenjans, P. Rudolph: "VGF growth of 4 in. Ga-doped germanium crystals under magnetic and ultrasonic fields" Journal of Crystal Growth 352 (2012) 16-20], sind grundsätzlich nur Lorentzkraftdichten in der Schmelze induzierbar, die eine Neigung vom Tiegelrand zur gedachten Mittellinie des Tiegels aufweisen. Es sind unter Anwendung dieser Anordnung auch konvexe Phasengrenzen einstellbar, es bleibt aber stets ein unerwünschter konkaver Anteil der Phasengrenzform in der Nähe des Tiegelrandes. Dieser konkave Anteil kann beim Einkristallwachstum polykristalline Strukturen auslösen. Die neue Anordnung kann auch für Kristallisationsanlagen nach der Bridgman- oder DS-Methode angewendet werden, wobei dann der äußere Rand des Decken-Heizer-Moduls vorzugsweise der äußeren Tiegelrandform folgt. Auch bei der Kristallisation von multikristallinem Material, wie z. B. PV- Silizium, ist die Vermeidung von W-förmig geformten fest/flüssig-Phasengrenze positiv für die Ausbeute an höher qualitativen Material, da das vom Tiegelrand beginnende Einwachsen von sehr kleinen Körnern dann reduziert werden kann. The invention thus provides a novel apparatus for directional crystallization of preferably semiconductor crystals of electrically conductive melts in crucible arrangements according to the vertical gradient method (VGF) as the preferred method. The invention enables the generation of Lorentz forces directed downwardly and radially outwardly from any imaginary point of the melt, and thereby simultaneously mixing the melt and producing a convexly curved solid-liquid phase boundary without inflection points. The Lorentz forces are by means of one above the crucible arranged heater magnet module (ceiling heater magnet module (DHMM)) produced analogously to the so-called KristMAG method. The coils of the ceiling heater magnet module are preferably fed with alternating current at a phase angle, wherein the phase angle between the coils may increase from the center, but is variable. An alignment of the Lorentz forces in the direction shown to the crucible edge has not been described and allows completely new ways to influence the shape of the solid / liquid phase boundary during crystallization. When using laterally arranged heater-magnet modules, as known from the prior art [z. Ch. Frank-Rotsch, U. Juda, B. Ubbenjans, P. Rudolph: "VGF growth of 4 in. Ga-doped germanium crystals under magnetic and ultrasonic fields" Journal of Crystal Growth 352 (2012) 16-20] , In principle, only Lorentz force densities are inducible in the melt, which have a slope from the crucible edge to the imaginary center line of the crucible. Convex phase boundaries are also adjustable using this arrangement, but there is always an undesirable concave portion of the phase boundary shape near the crucible edge. This concave portion can trigger polycrystalline structures in single crystal growth. The new arrangement can also be applied to Bridgman or DS crystallization plants, in which case the outer edge of the ceiling heater module preferably follows the outer crucible edge shape. Also in the crystallization of multicrystalline material, such. As PV silicon, the avoidance of W-shaped solid / liquid phase boundary is positive for the yield of higher quality material, since the beginning of the crucible edge ingrowth of very small grains can then be reduced.

Um zu gewährleisten, dass das resultierende Lorentzkraftfeld berechenbar und dadurch beeinflussbar ist, bilden nach einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Stromzuführungen zum Heizer-Magnet-Modul einen Winkel, der sicherstellt, dass das durch die Stromzuführungen induzierte Magnetfeld das Magnetfeld des Heizer- Magnet-Moduls nicht beeinflusst. Mit anderen Worten ist eine Kristallisationsanlage mit erfindungsgemäßem Heizer-Magnet-Modul bevorzugt, deren elektrische Zuleitungen parallel zur Mittelachse des Tiegels angeordnet sind. Bei der beschriebenen neuartigen Kristallisationsanlage sind also die Stromzuführungen so angeordnet, dass sie nahe der Heizerwindung (Spulen) senkrecht verlaufen und erst im größtmöglichen Abstand radial geführt werden. Dadurch wird das erzeugte Magnetfeld im (Decken-)Heizer-Magnet-Modul nicht ausgelöscht und die Homogenität der Lorentzkraftdichteverteilung in der Schmelze bleibt bestehen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die äußere Form des erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls konzentrisch ist. Infolge dessen ist bevorzugt, aber nicht zwingend notwendig, dass auch die innere Tiegelform einem Kreis folgt. Der sich ergebende Vorteil ist, dass das resultierende Lorentzkraftfeld und infolge dessen das Strömungsfeld in der Schmelze mit einer weniger aufwendigen und damit weniger fehleranfälligen Steuerung hoch symmetrisch eingestellt werden kann und eine minimale Dichte an Störungsstellen aufweist. Mit anderen Worten, die eine oder zusammengelegt mehreren Spulen eines Heizer-Magnet-Moduls bilden bevorzugter Weise einen Kreis oder eine Spirale. Dabei sind Ausführungen möglich, bei denen das Heizer-Magnet-Modul, insbesondere das Decken-Heizer-Magnet-Modul, aus einer beliebigen Zahl von Spulen besteht. Hierbei sind verschiedene Bauformen der Anordnung möglich. In order to ensure that the resulting Lorentz force field can be calculated and thus influenced, according to a preferred embodiment of the device according to the invention, the power supply lines to the heater magnet module form an angle which ensures that the magnetic field induced by the power supply lines suppresses the magnetic field of the heater magnet. Module not affected. In other words, a crystallization system with inventive heater-magnet module is preferred, the electrical leads are arranged parallel to the central axis of the crucible. In the described novel crystallization system so the power supply lines are arranged so that they are close to the Heizerwindung (coils) perpendicular and are performed radially only at the maximum distance. As a result, the generated magnetic field in the (ceiling) heater-magnet module is not extinguished and the homogeneity of the Lorentz force density distribution in the melt remains. A preferred embodiment of the invention provides that the outer shape of the heater-magnet module according to the invention is concentric. As a result, it is preferable, but not essential, for the inner crucible shape to follow a circle as well. The resulting advantage is that the resulting Lorentz force field and, as a result, the flow field in the melt can be set highly symmetrical with a less expensive and thus less error-prone control and has a minimum density of perturbations. In other words, one or more coils of a heater-magnet module preferably form a circle or a spiral. Embodiments are possible in which the heater magnet module, in particular the ceiling heater magnet module, consists of any number of coils. Here, various types of arrangement are possible.

Gemäß einer Ausführungsform bilden die Spulen des Heizer-Magnet-Moduls demnach eine Spirale, deren Spiralwindung in zwei oder mehr elektrisch voneinander isolierte Spulen aufgeteilt ist (vorzugsweise 2 bis 4 Spulen). Die Spirale kann insbesondere die Form einer Archimedes-Spirale (äquivalenter Windungsabstand), logarithmischen Spirale oder Federformspirale einnehmen.  According to one embodiment, the coils of the heater-magnet module thus form a spiral whose spiral winding is divided into two or more coils electrically isolated from each other (preferably 2 to 4 coils). In particular, the spiral may take the form of an Archimedes spiral (equivalent pitch), logarithmic spiral or spring-form spiral.

Kreisförmige Ausführungsformen des Heizer-Magnet-Moduls können beispielsweise durch zwei oder mehr Spulen erhalten werden, die ringförmig um den Mittepunkt des Heizer- Magnet-Moduls angeordnet sind. Die ringförmigen Spulen können dabei jeweils mehrere um den Mittelpunkt laufende Windungen umfassen, wobei ein Übergang zwischen den einzelnen Windungen einer Spule vorzugsweise stufenartig erfolgt, um weitgehend konzentrisch aufgebaute Spulenwindungen zu erhalten.  Circular embodiments of the heater-magnet module can be obtained, for example, by two or more coils arranged annularly around the center point of the heater-magnet module. The annular coils may in each case comprise a plurality of turns running around the middle point, wherein a transition between the individual turns of a coil preferably takes place stepwise in order to obtain largely concentrically constructed coil turns.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Heizer-Magnet-Module besteht darin, Spulen unterschiedlicher Windungshöhe oder mit einem unterschiedlichen Windungsquerschnitt einzusetzen. Ferner können die Spulen mit unterschiedlichem Abstand zur Kristallisationsfront angeordnet werden; die Spulen sind dann nicht in einer gemeinsamen Ebene des Heizer-Magnet-Moduls angeordnet. Alternativ oder ergänzend ist auch innerhalb einer einzigen Spule eine Variation der Windungshöhe, des Windungsquerschnitts oder Abstands zur Kristallisationsfront denkbar. Die Variation der Lorentzkräfte sowie der Wärmeverteilung mit einem Heizer-Magnet-Modul, das nur eine einzige Spule umfasst, ist dabei besonders bevorzugt, da die Stromzuführung wesentlich vereinfacht wird.  Another possibility for designing the heater-magnet modules is to use coils of different winding height or with a different winding cross-section. Furthermore, the coils can be arranged at different distances from the crystallization front; the coils are then not arranged in a common plane of the heater-magnet module. Alternatively or additionally, a variation of the winding height, the winding cross-section or distance to the crystallization front is also conceivable within a single coil. The variation of the Lorentz forces and the heat distribution with a heater-magnet module, which includes only a single coil, is particularly preferred because the power supply is much easier.

Die Kristallisationsanlage weist vorzugsweise zwei oder mehr Tiegel auf (Mehrtiegelanordnung). Jedem Tiegel ist ein Heizer-Magnet-Modul der zuvor beschriebenen Ausgestaltung zugeordnet. Die Anzahl der Tiegel kann beliebig gewählt werden. Die Heizer- Magnet-Module induzieren in jedem Tiegel ein gleiches oder weitgehend gleiches Lorentzkraftfeld. Es ist also eine simultane Züchtung von Kristallen sehr hoher Ähnlichkeit und Qualität möglich. The crystallization plant preferably has two or more crucibles (More crucible assembly). Each crucible is associated with a heater-magnet module of the embodiment described above. The number of crucibles can be chosen arbitrarily. The heater-magnet modules induce an equal or largely equal Lorentz force field in each crucible. Thus, it is possible to grow crystals of very high similarity and quality simultaneously.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Kristallzüchtung aus elektrisch leitenden Schmelzen, welches folgende (aufeinander folgende) Schritte umfasst:  A further aspect of the invention is the provision of a method for crystal growth from electrically conductive melts, which comprises the following (successive) steps:

i. Bereitstellen einer Kristallisationsanlage der zuvor beschriebenen Ausgestaltung; ii. Beschicken des mindestens einen Tiegels mit dem zu verarbeitendem Material und Schmelzen des Materials, vorzugsweise unter Nutzung des zugeordneten Heizer- Magnet-Moduls; i. Providing a crystallisation plant of the previously described embodiment; ii. Feeding the at least one crucible with the material to be processed and melting the material, preferably using the associated heater magnet module;

iii. Einleiten der Kristallisation ausgehend vom Boden des Tiegels; und iii. Initiating crystallization from the bottom of the crucible; and

iv. Erzeugen eines zeitlich abhängigen Magnetfeldes in der Art, dass ein entgegen der Wachstumsrichtung eines zu züchtenden Kristalls nach außen zu einem Rand desiv. Generating a time-dependent magnetic field in such a way that, contrary to the growth direction of a crystal to be grown outwards to an edge of the

Tiegels gerichtetes Lorentzfeld resultiert. Tiegel directed Lorentz field results.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Darstellung von Kristallen mit hoher Homogenität in Bezug auf die Kristallqualität, insbesondere eine homogene niedrige Versetzungsdichte in Einkristallen.  The method according to the invention enables the preparation of crystals with high homogeneity with respect to crystal quality, in particular a homogeneous, low dislocation density in single crystals.

Um Kristalle hoher Homogenität zu erhalten, wird bevorzugt ein Lorentzkraftfeld induziert, welches zentrosym metrisch ist, in dem also die resultierenden Lorentzkräfte zentrosym metrisch wirken. Dies führt zu einer gleichmäßigen, konvexen Krümmung der fest/flüssig-Phasengrenze sowie einer homogen Verteilung der Temperatur in der Schmelze. Beide Effekte beeinflussen die Kristallqualität, insbesondere die Homogenität der gezüchteten Kristalle positiv. In order to obtain crystals of high homogeneity, a Lorentz force field is preferably induced, which is centrosymetric metric, in which therefore the resulting Lorentz forces act zentrosym metric. This leads to a uniform, convex curvature of the solid / liquid phase boundary and a homogeneous distribution of the temperature in the melt. Both effects influence the crystal quality, in particular the homogeneity of the grown crystals positively.

Zur Erzeugung des erfindungsgemäßen Lorentzkraftfeldes sind verschiedene Steuergrößen zu beachten, auf die nachfolgend näher eingegangen wird:  To generate the Lorentz force field according to the invention, various control variables are to be considered, which are described in more detail below:

Die Decken-Heizer-Magnet-Module der Kristallisationsanlage können mittels vorgegebener Stromamplituden betrieben werden. Denkbar ist auch, den angelegten Wechselstrom für die Erzeugung der Lorentzkraftdichten in der Schmelze zu modulieren, zum Beispiel in Form einer sinusförmigen Modulation. Die Modulation kann eine Variation der Amplituden des Wechselstroms, der Amplituden der Modulation selbst, sowie der Perioden der Modulation beinhalten. Die zeitliche Modulation der Stromstärke kann dabei mit unterschiedlichen Parametern erfolgen. Durch die Modulation können besonders symmetrische Temperatur- und Magnetfeldverteilungen in den verwendeten Tiegel erzeugt werden, denn geringfügig vorhandene Asymmetrien im erzeugten Magnetfeld werden gemittelt. The ceiling heater magnet modules of the crystallization system can be operated by means of predetermined current amplitudes. It is also conceivable to modulate the applied alternating current for the generation of the Lorentz force densities in the melt, for example in the form of a sinusoidal modulation. The modulation can be a variation of the amplitudes of the AC, the amplitudes of the modulation itself, as well as the periods of modulation include. The temporal modulation of the current can be done with different parameters. Due to the modulation particularly symmetrical temperature and magnetic field distributions can be generated in the crucible used, because slightly existing asymmetries in the generated magnetic field are averaged.

Weiterhin ist die Geometrie und relative Lage der einzelnen Spulen in dem Heizer-Magnet- Modul zu beachten. Die Spulen werden dabei in der Regel derart sequentiell angesteuert, dass sie ein zeitabhängiges magnetisches Wanderfeld in der Schmelze erzeugen. Die Frequenz beeinflusst signifikant die Eindringtiefe und -stärke der Lorentzkräfte dadurch wird die Richtung der Lorentzkräfte beeinflusst Bei der Verwendung von hohen Frequenzen nimmt die Eindringtiefe ab und die Intensität der Lorentzkräfte und der Neigungswinkel der Lorentzkraft zur Windungsoberfläche nehmen zu. Die Wahl der Frequenz hängt weiterhin von der elektrischen Leitfähigkeit der Schmelze ab und damit auch von der gewünschten Eindringtiefe. Die Phasenverschiebung beeinflusst die Lorentzkraftintensität nur relativ schwach (schwach bei kleinen Frequenzen, aber der Einfluss der Phasenverschiebung verstärkt sich bei größeren Frequenzen). Der Einfluss der Phasenverschiebung auf die Richtung der Lorentzkräfte ist jedoch signifikant. Mit steigender Phasenverschiebung nimmt die Intensität ab, wobei das Optimum von der Frequenz abhängt. In der Regel sollte die Phasenverschiebung derart vorgegeben werden, dass die resultierende Lorentzkraft mit einer Neigung weg von der zentralen vertikalen Achse der Schmelze steht. Durch entsprechende Vorgaben der Phasenverschiebung beziehungsweise Ausrichtung der Lorentzkraft kann die Laufrichtung der erzeugten magnetischen Wanderfelder beeinflusst werden. Die Stromamplitude bestimmt unmittelbar die Lorentzkraftintensität; mit steigender Amplitude nimmt die Lorentzkraft stark zu. Die Lorentzkraft sollte höher liegen als die Auftriebskraft in der Schmelze.  Furthermore, the geometry and relative position of the individual coils in the heater-magnet module is observed. As a rule, the coils are driven sequentially in such a way that they generate a time-dependent magnetic traveling field in the melt. The frequency significantly affects the penetration depth and strength of the Lorentz forces thereby affecting the direction of the Lorentz forces. When using high frequencies, the penetration depth decreases and the intensity of the Lorentz forces and the inclination angle of the Lorentz force to the winding surface increase. The choice of frequency still depends on the electrical conductivity of the melt and thus also on the desired penetration depth. The phase shift affects the Lorentz force intensity only relatively weak (weak at low frequencies, but the influence of the phase shift increases at higher frequencies). However, the influence of the phase shift on the direction of the Lorentz forces is significant. As the phase shift increases, the intensity decreases, with the optimum depending on the frequency. In general, the phase shift should be set such that the resulting Lorentz force is at a slope away from the central vertical axis of the melt. By appropriate specifications of the phase shift or alignment of the Lorentz force, the direction of the magnetic traveling fields generated can be influenced. The current amplitude directly determines the Lorentz force intensity; with increasing amplitude, the Lorentz force increases sharply. The Lorentz force should be higher than the buoyancy force in the melt.

Insbesondere in der Photovoltaik oder auch in der allgemeinen Halbleiterindustrie werden Kristalle sehr hoher Perfektion benötigt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl für Halbleitermaterialien (Arsenide, Silizium, Germanium etc.), als auch andere elektrisch leitende Materialien, wie beispielsweise Metallschmelze oder Oxide, anwendbar.  Particularly in photovoltaics or in the general semiconductor industry crystals of very high perfection are needed. The method according to the invention can be used both for semiconductor materials (arsenides, silicon, germanium, etc.) and other electrically conductive materials such as molten metal or oxides.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage führt das beschriebene Verfahren zu monokristallinen Ingots, die sich in ihren Kristalleigenschaften von auf herkömmlichem Wege dargestellten Ingots unterscheiden. Diese Ingots stellen einen weiteren Aspekt der Erfindung dar. Using the crystallization plant according to the invention, the process described leads to monocrystalline ingots which differ in their crystal properties from conventionally prepared ingots. These ingots provide one another aspect of the invention.

Erfindungsgemäß herstellbare oder hergestellte (monokristalline) Ingots lassen sich von bekannten monokristallinen Ingots wie nachfolgend beschrieben unterscheiden. Dazu wird definiert  Monocrystalline ingots which can be prepared or prepared according to the invention can be distinguished from known monocrystalline ingots as described below. This is defined

i. ein Kernbereich, konstruiert aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper, dessen Grundfläche GK sieben Zehntel der Grundfläche Gi des Ingots entspricht; und i. a core portion constructed of a body having the same central axis as the outer shape of the ingot and whose base G K corresponds to seven tenths of the root area Gi of the ingot; and

ii. ein Randbereich, konstruiert aus dem gemäß i. verbleibendem Hohlkörper, dessen Grundfläche GR drei Zehntel der Grundfläche GK des Ingots entspricht. Der Randbereich ist also so definiert, dass er an jeder Schnittfläche senkrecht zurii. an edge region constructed from the according to i. remaining hollow body whose base G R corresponds to three tenths of the base G K of the ingot. The edge area is thus defined so that it is perpendicular to each cut surface perpendicular to

Mittelachse des Ingots einem Drittel der Gesamtfläche der Schnittfläche entspricht und stets den größtmöglichen Abstand von der Mittelachse aufweist. Central axis of the ingot corresponds to one third of the total area of the cut surface and always has the greatest possible distance from the central axis.

Die erfindungsgemäßen Ingots lassen sich nun unter anderem dadurch charakterisieren, dass eine mittlere Ätzgrubendichte EPD(R) im Randbereich eine mittlere Ätzgrubendichte EPD(K) im Kernbereich um maximal 75% übersteigt. Es gilt also:  The ingots according to the invention can now be characterized, inter alia, by a mean etch pit density EPD (R) in the edge region exceeding a mean etch pit density EPD (K) in the core region by a maximum of 75%. It therefore applies:

EPD R) < 1 ^ EPD (K). EPD R) <1 ^ EPD (K).

Durch die erfindungsgemäße Ausrichtung der Lorentzkräfte in Richtung des Tiegelrands kann das Auftreten eines Wendepunkts in der Kristallisationsfront nahe dem Kristallrand vermieden werden. Nach dem Verfahren hergestellte Ingots haben dadurch deutlich veränderte Kristalleigenschaften, die sich beispielsweise durch einen abweichenden radialen Verlauf der Versetzungsdichte p charakterisieren lassen. Unter der Versetzungsdichte p versteht man die Gesamtlänge aller Versetzungslinien pro Volumeneinheit in einem kristallinen Festkörper. Eine bekannte Möglichkeit zur Sichtbarmachung von Versetzungen und Bestimmung ihrer Dichte besteht nun darin, die betreffenden Kristalle an einer Oberfläche zu ätzen. Es entstehen sogenannte Ätzgrübchen, deren Dichte in einem Lichtmikroskop (z. B. entsprechend DIN-Vorgaben) gezählt werden kann. Die sich dabei ergebende etch pit density, engl. Ätzgrubendichte, kurz EPD, ist vor allem in der Halbleiterindustrie ein Maß für die Qualität von Halbleiter-Wafern. The orientation according to the invention of the Lorentz forces in the direction of the crucible edge avoids the occurrence of a point of inflection in the crystallization front near the edge of the crystal. As a result, ingots produced by the process have significantly altered crystal properties, which can be characterized, for example, by a deviating radial profile of the dislocation density p. The dislocation density p is the total length of all dislocation lines per unit volume in a crystalline solid. One known way of visualizing dislocations and determining their density is to etch the crystals in question on a surface. This results in so-called etching pits whose density can be counted in a light microscope (eg according to DIN specifications). The resulting etch pit density, engl. Etching pit density, EPD for short, is a measure of the quality of semiconductor wafers, especially in the semiconductor industry.

Vorliegend wird die EPD radial, also entlang einer Linie vom Kristallmittelmittelpunkt zum Kristallrand bestimmt. Diese Linie verläuft entlang einer Halbschale auf einer Schnittebene quer zur Wachstumsrichtung des Kristalls. Im Gegensatz zu herkömmlich nach dem VGF- Verfahren gezüchteten Kristallen ist der radiale EPD-Verlauf in erfindungsgemäßen Ingots nicht W-förmig, das heißt, der Verlauf nimmt nicht von der Mitte zum Rand ab, um dann im äußeren Randbereich erneut stark anzusteigen. Es resultiert vielmehr eine nahezu konstante radiale EPD. So ist die EPD für einen herkömmlich gezüchteten GaAs-Kristall beispielsweise in der kristallographischen <100>-Richtung im Randbereich um 120% höher als am niedrigsten Punkt im Kernbereich und um 85% gegenüber dem Mittelwert im Kernbereich erhöht. Die Erhöhung der Versetzungsdichte im Randbereich der Kristalle ist dabei in <100>- Richtung besonders stark ausgeprägt (Untersuchungen an einem VGF-GaAs-Kristall mit Durchmesser 100 mm). Bei erfindungsgemäßen Ingots wird dagegen eine geringere Erhöhung der Versetzungsdichte im Randbereich der Halbleiterscheiben gefunden: Die mittlere EPD liegt im Randbereich maximal 75% über dem Mittelwert der EPD des Kernbereichs, insbesondere maximal 50% über dem Mittelwert des Kernbereichs, also EPD(R) < l i EPD (K), besonders bevorzugt maximal 25% oberhalb der EPD im Kernbereich. In the present case, the EPD is determined radially, ie along a line from the center of the crystal center to the edge of the crystal. This line runs along a half-shell on a cutting plane transverse to the growth direction of the crystal. Unlike conventional VGF Process grown crystals, the radial EPD curve in ingots according to the invention is not W-shaped, that is, the course does not decrease from the middle to the edge, then again increase sharply in the outer edge region. Rather, a nearly constant radial EPD results. For example, for a conventionally grown GaAs crystal in the crystallographic <100> direction, the EPD is 120% higher in the edge region than at the lowest point in the core region and increased by 85% over the mean in the core region. The increase in the dislocation density in the edge region of the crystals is particularly pronounced in the <100> direction (investigations on a VGF GaAs crystal with a diameter of 100 mm). In the case of ingots according to the invention, by contrast, a smaller increase in the dislocation density is found in the edge region of the semiconductor wafers: the average EPD is at most 75% above the mean value of the EPD of the core region, in particular at most 50% above the mean value of the core region, ie EPD (R) <li EPD (K), more preferably at most 25% above the EPD in the core region.

Eine weitere charakteristische Größe, die zur Bestimmung der Kristallqualität herangezogen wird, ist die Restspannung. St. Eichler zeigt beispielsweise in„Crystal Growth Technology" , Kapitel 9 „Recent Progress in GaAs Growth Technologies at Freiberger" Seite 231 -266, editiert von HJ. Schell und P. Capper, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008 eine typische Verteilung von Restspannung in GaAs-Wafern. Dort werden Werte von 0.1 - 0.4 MPa angegeben, wobei die Scherspannungen im Randbereich signifikant erhöht sind. Die erfindungsgemäßen Kristalle zeichnen sich nun dadurch aus, dass sie während des Wachstums aufgrund einer fest/flüssig-Phasengrenze mit geringerer konkaver Durchbiegung auch geringere thermische Spannungen aufweisen. Diese thermischen Spannungen bei der Züchtung weisen radial gesehen vom Kristallrand zur Kristallmitte geringere Anstiege auf, so dass auch die im Kristall nach der Züchtung messbare Restspannung geringer bzw. in radialer Richtung homogener verteilt ist. Analog zur Eigenschaft„Versetzungsdichte" kann daher die radiale Homogenität der Restspannung von kristallographischen Richtungen zur Bestimmung der Kristallqualität und Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots herangezogen werden. Im Falles eines <100>-orientierten GaAs-Einkristalls werden beispielsweise die <1 10> und <100>-Richtungen ausgewählt. Erfindungsgemäße Ingots weisen nun eine Spannungsverteilung (SV) auf, bei der die Werte für die Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich nicht mehr als 100 %, insbesondere nicht mehr als 75 %, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 % erhöht sind im Vergleich zur Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich. Der Randbereich und Kernbereich sind hierbei in ebengleicher Weise definiert, wie zuvor für die Bestimmung der Ätzgrubendichte dargelegt.Another characteristic quantity which is used to determine the crystal quality is the residual stress. St. Eichler, for example, shows in "Crystal Growth Technology", Chapter 9 "Recent Progress in GaAs Growth Technologies at Freiberger" Page 231 -266, edited by HJ. Schell and P. Capper, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008 show a typical distribution of residual stress in GaAs wafers. There, values of 0.1-0.4 MPa are given, whereby the shear stresses in the edge area are significantly increased. The crystals according to the invention are characterized in that they also have lower thermal stresses during growth due to a solid / liquid phase boundary with a smaller concave deflection. These thermal stresses in the cultivation have radially seen from the crystal edge to the crystal center lower increases, so that even in the crystal after the cultivation measurable residual stress is less or distributed more homogeneously in the radial direction. Analogous to the property "dislocation density", therefore, the radial homogeneity of the residual stress of crystallographic directions can be used to determine the crystal quality and differentiation of the inventive ingots from conventionally produced ingots Ingots according to the invention now have a stress distribution (SV) at which the values for the stress distribution SV (R) in the edge region are not more than 100%, in particular not more than 75%, particularly preferably not more than 50% are increased compared to Stress distribution SV (K) in the core area. The edge region and core region are defined in the same way as explained above for the determination of the Ätzgrubendichte.

Ein weiteres Maß, welches die Kristallqualität von GaAs-Kristallen wiederspiegelt, ist die Eigendefektdichte. Dabei wird die Defektkonzentration in bestimmten Bereichen gemessen. Als Defektkonzentration bezeichnet man das Verhältnis der Anzahl der Fehlstellen in der Gitterstruktur eines Festkörpers zur Gesamtzahl der Gitterplätze. Gitterfehler in einem Festkörper treten auf, weil sie einen Entropiegewinn durch Unordnung bringen. Zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots kann nun die Homogenität der Eigendefektdichte über den Kristall herangezogen werden. Konkret wird die Eigendefektdichte (EL2) im Randbereich und Kernbereich bestimmt, wobei Rand- und Kernbereich wieder, wie zuvor bei der Bestimmung der Ätzgrubendichte vorgegeben sind. Die Eigendefektdichte ist üblicherweise im Randbereich erheblich geringer als im Kernbereich. Erfindungsgemäß ist die Eigendefektdichte EL2(R) im Randbereich höchstens um < 50 %, bevorzugt < 25 %, insbesondere < 10 % geringer als die Eigendefektdichte EL2(K) im Kernbereich. Another measure that reflects the crystal quality of GaAs crystals is the intrinsic defect density. The defect concentration is measured in certain areas. Defective concentration refers to the ratio of the number of defects in the lattice structure of a solid to the total number of lattice sites. Lattice defects in a solid occur because they bring an entropy gain through disorder. To delimit the ingots according to the invention from conventionally produced ingots, the homogeneity of the intrinsic defect density over the crystal can now be used. Specifically, the intrinsic defect density (EL2) is determined in the edge region and core region, the edge region and core region being specified again, as previously in the determination of the etching pit density. The self-defect density is usually considerably lower in the edge region than in the core region. According to the invention, the self-defect density EL2 (R) in the edge region is at most <50%, preferably <25%, in particular <10% lower than the self-defect density EL2 (K) in the core region.

Ferner kann auch die elektrische Widerstandsverteilung (EU) radial bestimmt und zur Abgrenzung der erfindungsgemäßen Ingots von herkömmlich hergestellten Ingots herangezogen werden. Herbei gilt, dass die elektrischen Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich höchstens um < 10 %, bevorzugt < 5 % erhöht ist im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich. Rand- und Kernbereich sind wie oben definiert. Furthermore, the electrical resistance distribution (EU) can also be determined radially and used to delineate the ingots according to the invention from conventionally produced ingots. By way of example, the electrical resistance distribution EU (R) in the edge region is increased by at most <10%, preferably <5%, in comparison with a resistance distribution EU (K) in the core region. Edge and core area are as defined above.

Durch Nutzung der Erfindung wird eine verbesserte Durchmischung der Schmelze erreicht, die beispielsweise im Falle von GaAs-Kristallen auf die Verteilung von As-Präzipitaten im Kristall und damit auf die Partikelzahl auf der polierten Oberfläche eines Schnitts in radialer Richtung des Ingots Einfluss hat. Besonders große As-Präzipitate erscheinen auf der polierten Oberfläche als Partikel (Durchmesser > 0,3 μηι). Durch Reduzierung der As- Präzipitate und Verteilung des As-Überschuss im GaAs in gleichmäßig verteilten Ausscheidungen in Größen < 0,3 μηι könnten demnach geringere Partikelzahlen erzielt werden. Tatsächlich lassen sich die erfindungsgemäßen Ingots, insbesondere monokristallinen Ingots, von herkömmlich hergestellten Ingots auch dadurch unterscheiden, dass die Partikelzahl PZ(R) im Randbereich eine geringere Abweichung von der Partikelzahl PZ(K) im Kernbereich zeigt. Konkret ist die Partikelzahl PZ(R) im Randbereich höchstens um < 10 %, bevorzugt < 5 % höher als die Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich. Zwangsläufig ist auch die kumulierte Partikelzahl PZ über den Rand- und Kernbereich im erfindungsgemäß hergestellten Ingot erniedrigt. Im speziellen Fall von GaAs-Ingots resultieren Partikelzahlen PZ < 40 pro Wafer (100mm-Durchmesser) und bei einem Kristall mit 150mm-Durchmesser < 75 cm"2. By using the invention, an improved mixing of the melt is achieved, which, for example in the case of GaAs crystals, has an effect on the distribution of As precipitates in the crystal and thus on the particle number on the polished surface of a cut in the radial direction of the ingot. Particularly large As precipitates appear on the polished surface as particles (diameter> 0.3 μηι). By reducing the As precipitates and distribution of the As excess in GaAs in uniformly distributed precipitates in sizes <0.3 μηι therefore smaller numbers of particles could be achieved. In fact, the ingots according to the invention, in particular monocrystalline ingots, can also be distinguished from conventionally produced ingots in that the particle number PZ (R) in the edge region shows a smaller deviation from the particle number PZ (K) in the core region. Specifically, the particle number PZ (R) in the edge region is at most <10%, preferably <5% higher than the particle density PZ (K) in the core region. Is inevitable also the cumulative particle number PZ is lowered over the edge and core region in the ingot produced according to the invention. In the special case of GaAs ingots, particle numbers PZ <40 per wafer (100 mm diameter) and for a crystal with 150 mm diameter <75 cm "2 result .

Zusammenfassend lassen sich erfindungsgemäß herstellbare oder hergestellte Ingots, insbesondere monokristallinen Ingots, somit durch eine, mehrere oder alle nachfolgenden Eigenschaften von bekannten Ingots unterscheiden: In summary, ingots which can be produced or produced according to the invention, in particular monocrystalline ingots, can thus be distinguished by one, several or all of the following properties from known ingots:

a) ein Verhältnis einer Ätzgrubendichte EPD(K) im Kernbereich zu einer Ätzgrubendichte EPD(R) im Randbereich genügt der Formel: EPD(R) < EPD (K); b) eine Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich ist nicht mehr als um 100% erhöht im Vergleich zu einer Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich; a) a ratio of etch pit density EPD (K) in the core region to etch pit density EPD (R) in the edge region satisfies the formula: EPD (R) <EPD (K); b) a stress distribution SV (R) in the edge region is not increased by more than 100% in comparison to a stress distribution SV (K) in the core region;

c) eine elektrische Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich ist höchstens um < 10 % erhöht im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich; und d) eine Partikelzahl PZ(R) im Randbereich ist höchstens um < 10 % erhöht im Vergleich zu einer Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich, c) an electrical resistance distribution EU (R) in the edge area is increased by at most <10% compared to a resistance distribution EU (K) in the core area; and d) a particle number PZ (R) in the edge region is increased by at most <10% in comparison to a particle density PZ (K) in the core region,

Der Kernbereich wird dabei aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden und dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper konstruiert, dessen Grundfläche sieben Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht. Der Randbereich ist konstruiert aus dem verbleibenden Hohlkörper, dessen Grundfläche drei Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht. Die Grundfläche des Ingots entspricht der Fläche, die sich bei einem Schnitt senkrecht zur Mittelachse des Ingots ergibt.  The core region is constructed from a body having the same central axis and corresponding to the outer shape of the ingot, the base area of which corresponds to seven tenths of the base area of the ingot. The edge area is constructed from the remaining hollow body, the base area of which corresponds to three tenths of the base area of the ingot. The base of the ingot corresponds to the area which results in a section perpendicular to the central axis of the ingot.

Das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren kann insbesondere zur Herstellung von Ingots aus Materialien mit elektrischen Leitfähigkeiten im Bereich von 10 bis 108 S/m genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei vorzugsweise für die Züchtung von Einkristallen, wie zum Beispiel GaAs mit größeren Durchmessern (100 - 200 mm) geeignet. Der GaAs-Einkristall weist insbesondere einen oder mehrere der unter a) bis d) genannten Eigenschaften aus. Kurzbeschreibung der Figuren The crystallization process according to the invention can be used in particular for the production of ingots from materials having electrical conductivities in the range from 10 to 10 8 S / m. The method according to the invention is preferably suitable for the growth of single crystals, such as GaAs with larger diameters (100-200 mm). The GaAs single crystal has in particular one or more of the properties mentioned under a) to d). Brief description of the figures

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:  The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and associated drawings. Show it:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch eine Kristallisationsanlage mit seitlich eines Tiegels angeordneten Heizer-Magnet-Modulen nach dem Stand der 1 is a schematic sectional view through a crystallization system with laterally arranged a crucible heater magnet modules according to the prior

Technik sowie ein resultierendes Lorentzkraftfeld, Technology and a resulting Lorentz force field,

Fig. 2A-D schematische Schnittansichten durch eine Kristallisationsanlage mit oberhalb eines Tiegels angeordneten Heizer-Magnet-Modulen in vier Ausführungsformen,  2A-D are schematic sectional views through a crystallization system with above a crucible arranged heater magnet modules in four embodiments,

Fig. 3A-C schematische Darstellungen von in Heizer-Magnet-Modulen angeordneten Fig. 3A-C are schematic representations of arranged in heater-magnet modules

Spulen in drei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Coils in three embodiments of a device according to the invention,

Fig. 4A-C schematische Darstellungen von Windungsformen in Spulen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 4A-C are schematic representations of winding shapes in coils of a device according to the invention,

Fig. 5 ein Deckenheizer-Magnet-Modul in Form einer Archimedes-Spirale mit zwei  5 shows a ceiling heater magnet module in the form of an Archimedes spiral with two

Spulen, sowie deren Stromzuführungen als Ein-Tiegel-Ausführung, Coils, as well as their power supply as a single-crucible design,

Fig. 6A/B eine simulierte Lorentzkraftdichteverteilung in einer GaAs Schmelze erzeugt durch ein Deckenheizer-Magnet-Modul bestehend aus 3 Spulen, erzeugt mit differierender Wechselstromfrequenz, 6A / B show a simulated Lorentz force density distribution in a GaAs melt generated by a ceiling heater magnet module consisting of 3 coils, generated with differing AC frequency,

Fig. 7A-E zeitlich sinusförmige Modulationen der Lorentzkraftstärke in der Schmelze, Fig. 8A/B simulierte dreidimensionale Temperaturverteilungen eines Kristalls nach einer  FIGS. 7A-E show time-sinusoidal modulations of the Lorentz force in the melt, FIGS. 8A / B simulated three-dimensional temperature distributions of a crystal after one

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei a) sinusförmig modulierter Stromstärke und b) konstanter Wechselstromamplitude, bei der Steuerung eines erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls,  Embodiment of the method according to the invention in the case of a) sinusoidally modulated current intensity and b) constant alternating current amplitude in the control of a heater-magnet module according to the invention,

Fig. 9 ein radial bestimmter Verlauf einer Ätzgrubendichte (EPD) an einer Halbschale eines dotierten GaAs-Einkristalls erzeugt nach dem VGF-Verfahren 9 shows a radially determined course of an etching pit density (EPD) on a half-shell of a doped GaAs single crystal produced by the VGF method

(durchgezogene Linie mit Messpunkten) sowie erwarteter Verlauf unter Nutzung der Erfindung (gestrichelt) (solid line with measuring points) and expected course using the invention (dashed)

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines konstruierbaren Kern- sowie  Fig. 10 is a schematic representation of a constructible core and

Randbereiches in einem nach erfindungsmäßigen Verfahren erzeugten Kristalls, und Fig. 1 1 eine schematische Darstellung eines Decken-Heizer-Magnet-Moduls nach einer weiteren Ausführung der Erfindung mit je einer Spule als Mehrtiegelanordnung aus vier Tiegeln. Edge region in a crystal produced by erfindungsmäßig process, and Fig. 1 1 is a schematic representation of a ceiling heater magnet module according to a further embodiment of the invention, each with a coil as a multi-pot arrangement of four crucibles.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention

Figur 1 zeigt in stark schematisierter Art und Weise eine Schnittansicht durch eine Kristallisationsanlage 1 nach Stand der Technik. Die Kristallisationsanlage 1 umfasst einen Tiegel 10 zur Aufnahme einer elektrisch leitenden Schmelze 30. Ober- und unterhalb des Tiegels 10 sind Standardheizer 60 bzw. 62 im Deckel bzw. Boden der Kristallisationsanlage 10 angeordnet. An der Kristallisationsanlage 1 seitlich angeordnet sind Heizer-Magnet- Module 20, welche in dargestellter Ausführung drei Spulen 21 umfassen. Das Heizer-Magnet- Modul 20 kann mittels nicht dargestellter Stromzuführungen derart gesteuert werden, dass ein gerichtetes Lorentzkraftfeld 40 resultiert. Das resultierende Lorentzkraftfeld 40 weist zu einer geometrischen Mittelachse 50 eines wachsenden Einkristalls 32 hin, wobei die geometrische Mittelachse 50 des Kristalls mit der geometrischen Mittelachse 50 des Tiegels zusammenfällt. Dabei ist das Kraftfeld der Verschiebungsrichtung einer fest/flüssig- Phasengrenze 31 entgegengerichtet. Ein gerichtetes Lorentzdichtekraftfeld 40 wirkt in Abhängigkeit seiner Parameter (beispielsweise, Stärke, Richtung, Verteilung etc.) auf die Teilchenbewegung einer elektrisch leitenden Schmelze 30, so dass durch die Steuerung der Parameter des Lorentzkraftfeldes 40 eine Durchmischung der Schmelze 30, sowie die Form der fest/flüssig-Phasengrenze 31 induziert und gesteuert werden kann. Bei der Verwendung von seitlich angeordneten Heizer-Magnet-Modulen 20 sind grundsätzlich nur Lorentzkraftdichten in der Schmelze 30 induzierbar, die eine Neigung vom Rand des Tiegels 10 zur geometrischen Mittelachse 50 des Tiegels 10 aufweisen. Es sind unter Anwendung dieser Anwendung auch konvexe Phasengrenzen 33 einstellbar, es bleibt aber stets ein unerwünschter konkaver Anteil der Phasengrenze 34 in der Nähe des Tiegelrandes. Dieser konkave Anteil der Phasengrenze 34 kann polykristalline Strukturen auslösen.  Figure 1 shows in a highly schematic manner a sectional view through a crystallization unit 1 according to the prior art. The crystallization unit 1 comprises a crucible 10 for receiving an electrically conductive melt 30. Above and below the crucible 10, standard heaters 60 and 62, respectively, are arranged in the lid or base of the crystallization unit 10. Laterally arranged on the crystallization unit 1 are heater-magnet modules 20, which comprise three coils 21 in the illustrated embodiment. The heater-magnet module 20 can be controlled by means not shown power supply lines such that a directional Lorentz force field 40 results. The resulting Lorentz force field 40 points to a geometric center axis 50 of a growing single crystal 32, wherein the geometric center axis 50 of the crystal coincides with the geometric center axis 50 of the crucible. In this case, the force field of the displacement direction of a solid / liquid phase boundary 31 is directed opposite. A directed Lorentz density force field 40 acts as a function of its parameters (for example, strength, direction, distribution, etc.) on the particle movement of an electrically conductive melt 30, so that by controlling the parameters of the Lorentz force field 40, a thorough mixing of the melt 30, and the shape of the solid / liquid-phase boundary 31 can be induced and controlled. When using laterally arranged heater-magnet modules 20, only Lorentz force densities are in principle inducible in the melt 30, which have a slope from the edge of the crucible 10 to the geometric center axis 50 of the crucible 10. Convex phase boundaries 33 can also be set using this application, but there is always an undesirable concave portion of the phase boundary 34 in the vicinity of the crucible edge. This concave portion of the phase boundary 34 can trigger polycrystalline structures.

Die Figuren 2A - C zeigen Kristallisationsanlagen 1 in vier Ausführungsformen. Die Kristallisationsanlage 1 ermöglicht die gerichtete Kristallisation von Einkristallen aus elektrischen Schmelzen in Tiegelanordnungen nach dem vertikalen Gradienverfahren (VGF), ist aber auch für Kristallisationsanlagen nach der Bridgman- oder DS-Methode anwendbar, wobei der äußere Deckelrand vorzugsweise der äußeren Tiegelform folgt. Jeweils seitlich angeordnet sind Standardheizer 65, die keine Magnetfelder induzieren. Vorliegend ist ein Heizer-Magnet-Modul 20 oberhalb des Tiegels angeordnet. In den dargestellten Ausführungsformen der Figuren 2 A - D umfasst das Heizer-Magnet-Modul 20 jeweils zwei Spulen 21. Wie bereits in Figur 1 beschrieben kann durch Erzeugung eines Lorentzkraftfeldes 40 die fest/flüssig-Phasengrenze 31 beeinflusst werden. In den in Figuren 2 A - C dargestellten Ausführungsbeispielen wird dabei in die Spulen des Heizer-Magnet- Moduls 20 Wechselstrom mit einem Phasenwinkel gespeist, wobei der Phasenwinkel zwischen den Spulen von der Mitte nach außen zunimmt. Eine Ausrichtung der Lorentzkräfte in der gezeigten Richtung zum Tiegelrand ist bisher nicht beschrieben worden und ermöglicht neuartige Einflussmöglichkeiten auf die Form der fest/flüssig-Phasengrenze 31 (Kristallisationsfront) bei der Kristallisation. Das resultierende Lorentzkraftfeld 40 ist wie in Figuren 2 A - C gezeigt nach außen gerichtet und induziert damit eine konvex gekrümmte fest/flüssig-Phasengrenze 31. Anders als bei der Anordnung im Stand der Technik in Figur 1 trifft dies auch für den Randbereich zu. Freiheitsgrade bei der Ausrichtung des resultierenden Lorentzfeldes sind durch die Anordnung der Windungen der einzelnen Spulen 21 sowie der Spulen zueinander einstellbar. In der in Figur 2A gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage sind die beiden Windungen beispielsweise einer Archimedes-Spirale in gleicher Höhe angeordnet. Das Lorentzkraftfeld 40 wird hierbei über die Parameter des zugeführten Wechselstroms, wie Stromstärke und Amplitude, gesteuert. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage sind Spiralen 21 mit variabler Windungshöhe (siehe Figuren 2 C/D); hier kann durch Variation der Windungshöhe die Verteilung der Lorentzkraftdichte 40 sowie der Wärmeverteilung in der Schmelze 32 gezielt eingestellt werden. Die Windungshöhe ermöglicht dabei die Variation der Lorentzkräfte 40 sowie der Wärmeverteilung auch bei Anordnungen mit nur einer Spule 21. Bei den beschriebenen Anordnungen sind auch Ausführungen möglich, bei denen sich die Windungen der Spule 21 nicht in einer Ebene befinden. Der frei wählbare Abstand der einzelnen Windungen zur Kristallisationsfront eröffnet weitere Freiheiten bei der Einstellung der Temperatur- und Magnetfelder in der Schmelze (siehe Figur 2 A). FIGS. 2A-C show crystallization plants 1 in four embodiments. The crystallization unit 1 allows the directed crystallization of single crystals of electric melts in crucible arrangements according to the vertical gradient method (VGF), but is also applicable to crystallization systems according to the Bridgman or DS method, wherein the outer edge of the lid preferably follows the outer crucible shape. In each case arranged laterally are standard heaters 65, which do not induce magnetic fields. In the present case, a heater-magnet module 20 is arranged above the crucible. In the illustrated embodiments of FIGS. 2A-D, the heater magnet module 20 comprises two coils each. As already described in FIG. 1, the solid / liquid phase boundary 31 can be influenced by generating a Lorentz force field. In the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2A-C, alternating current is fed with a phase angle into the coils of the heater-magnet module 20, wherein the phase angle between the coils increases from the center to the outside. Alignment of the Lorentz forces in the direction shown to the edge of the crucible has not previously been described and enables novel possibilities of influencing the shape of the solid / liquid phase boundary 31 (crystallization front) during crystallization. The resulting Lorentz force field 40 is directed outwardly as shown in FIGS. 2A-C and thus induces a convexly curved solid-liquid phase boundary 31. Unlike the arrangement in the prior art in FIG. 1, this also applies to the edge region. Degrees of freedom in the alignment of the resulting Lorentz field are adjustable by the arrangement of the turns of the individual coils 21 and the coils to each other. In the embodiment of the crystallization plant according to the invention shown in FIG. 2A, the two windings, for example, of an Archimedes spiral are arranged at the same height. The Lorentz force field 40 is controlled by the parameters of the supplied alternating current, such as current and amplitude. Another embodiment of the crystallization plant according to the invention are spirals 21 with variable winding height (see FIGS. 2C / D); Here, by varying the winding height, the distribution of the Lorentz force density 40 and the heat distribution in the melt 32 can be adjusted in a targeted manner. The winding height allows the variation of the Lorentz forces 40 and the heat distribution even in arrangements with only one coil 21. In the described arrangements, embodiments are also possible in which the turns of the coil 21 are not in one plane. The freely selectable distance of the individual windings to the crystallization front opens up further freedom in the adjustment of the temperature and magnetic fields in the melt (see FIG. 2A).

Die Figuren 3A - C zeigen eine Auswahl möglicher Ausbildungsformen der Spulen 21 in konzentrisch geformten Heizer-Magnet-Modulen. Dabei ist in Figur 3A eine in sogenannter Sternform angeordnete Spule 21 gezeigt (das Heizer-Magnet-Modul umfasst hier nur eine einzige Spule), während Figur 3C eine typische Archimedes-Spirale aus drei Spulen 21.1...21.3 darstellt. Die in Figur 3B dargestellte spiralförmige Anordnung von zwei Spulen 21.1 und 21.2 verfügt über stufenartig ausgeformte Windungen. Figures 3A-C show a selection of possible embodiments of the coils 21 in concentrically shaped heater-magnet modules. 3A, a so-called star-shaped coil 21 is shown (the heater-magnet module here comprises only a single coil), while FIG. 3C shows a typical Archimedes spiral composed of three coils 21.1. The spiral arrangement of two coils shown in FIG. 3B 21.1 and 21.2 has stepped windings.

Über die geometrische Form hinaus können die im erfindungsgemäßen Heizer-Magnet- Modul 20 angeordneten Spulen auch in der Anordnung der Windungen variieren. Beispielsweise sind neben der klassischen Archimedes-Spirale (Fig. 4B) auch logarithmische Formen (Fig. 4A) und Federformspiralen (Fig. 4C) möglich.  Beyond the geometric shape, the coils arranged in the heater-magnet module 20 according to the invention can also vary in the arrangement of the turns. For example, in addition to the classic Archimedes spiral (FIG. 4B), logarithmic forms (FIG. 4A) and spring-forming spirals (FIG. 4C) are also possible.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizer-Magnet-Moduls 20, welches als Deckenheizer oberhalb des Tiegels 10 angeordnet ist. Das Heizer-Magnet-Modul 20 ist aus einer inneren Spule 21.1 und einer äußeren Spule 21.2 aufgebaut, die konzentrisch in Form einer Archimedes-Spirale ausgeführt sind. Ebenfalls dargestellt sind die Stromzuführungen 221 und 222 der inneren Spule 21.1 , sowie die Stromzuführungen 231 und 232 für die äußere Spule 21.2, ausgeführt als Anschluss für Wechselspannung. Um die Erzeugung eines Lorentzkraftfeldes in erfindungsgemäßer Art zu gewährleisten, ist es wichtig, die Stromzuführungen so auszuführen, dass sie nahe der Windungen des Heizer- Magnet-Moduls senkrecht verlaufen und erst in größtmöglichem Abstand parallel verlaufen. Andernfalls könnte das mittels Heizer-Magnet-Moduls 20 erzeugte Lorentzkraftfeld ganz oder teilweise ausgelöscht werden, was wiederum zu Inhomogenitäten in der Schmelze und letztlich zu polykristallinen Einschlüssen führen würde.  FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a heater-magnet module 20 according to the invention, which is arranged as a ceiling heater above the crucible 10. The heater-magnet module 20 is composed of an inner coil 21.1 and an outer coil 21.2, which are designed concentrically in the form of an Archimedes spiral. Also shown are the power supply lines 221 and 222 of the inner coil 21.1, as well as the power supply lines 231 and 232 for the outer coil 21.2, designed as a connection for AC voltage. In order to ensure the generation of a Lorentz force field in accordance with the invention, it is important to perform the power supply lines so that they are perpendicular to the windings of the heater magnet module and parallel only at the greatest possible distance. Otherwise, the Lorentz force field generated by the heater-magnet module 20 could be completely or partially extinguished, which in turn would lead to inhomogeneities in the melt and ultimately to polycrystalline inclusions.

Eine Kristallisationsanlage 1 mit einer Multitiegelanordnung ist in Figur 1 1 dargestellt. Die Kristallisationsanlage 1 umfasst insgesamt vier Kristallisationseinheiten je gleichen Aufbaus. Eine Einheit umfasst jeweils einen Tiegel 10 und ein über der Tiegelöffnung angeordnetes Heizer-Magnet-Modul 20 mit einer Spule 21. Jede Spule 21 verfügt über zwei Stromzuführungen 211 , 212 mit einem Anschluss für Wechselstrom am innenliegenden Anfangspunkt der Spule 21 und einem weiteren Anschluss am außenliegenden Endpunkt der Spule 21 . Die Stromzuführungen 21 1 , 212 der einzelnen Spulen laufen zunächst senkrecht zu den Windungen der Spulen 21 nach oben und dann sternförmig zu einem zentralen Anschluss 200, welcher seinerseits konzentrisch über der Tiegelanordnung angeordnet ist. Oberhalb des zentralen Anschlusses 200 laufen der Anschluss 201 für die Spulenanfänge und der Anschluss 202 für die Spulenenden wieder auseinander um an einer nicht gezeigten Stromquelle angeschlossen zu werden.  A crystallization plant 1 with a multi-seal arrangement is shown in FIG. 11. The crystallization unit 1 comprises a total of four crystallization units of the same structure. A unit comprises in each case a crucible 10 and a heater magnet module 20 with a coil 21 arranged above the crucible opening. Each coil 21 has two power supply lines 211, 212 with a connection for alternating current at the inner starting point of the coil 21 and a further connection on the coil outer end point of the coil 21st The power supply lines 21 1, 212 of the individual coils run first perpendicular to the turns of the coils 21 upwards and then in a star shape to a central terminal 200, which in turn is arranged concentrically above the crucible arrangement. Above the central terminal 200, the terminal 201 for the coil starts and the terminal 202 for the coil ends again apart to be connected to a power source, not shown.

Die Figuren 6A/B zeigen Simulationen einer Lorentzkraftdichteverteilung in einer GaAs Schmelze erzeugt durch ein erfindungsgemäßes Heizer-Magnet-Module bestehend aus 3 Spulen. Der in Figur 6A dargestellten Verteilung liegt dabei ein Modell mit einer Wechselstrom-Frequenz von f=10 Hz und einem Phasenwinkel Δφ=100° zwischen den Spulen zugrunde. Die Berechnungen zur Figur 6B gingen von f=60Hz Wechselstrom- Frequenz und einem Phasenwinkel von Δφ=100° zwischen den Spulen aus. Die Verteilung des Lorentzkraftfeldes ist durch Parameter des angelegten Wechselstroms, wie die Frequenz, sowie den Phasenwinkel zwischen den Spulen steuerbar. FIGS. 6A / B show simulations of a Lorentz force density distribution in a GaAs melt produced by a heater magnet module according to the invention consisting of 3 coils. The distribution shown in FIG. 6A is a model with one AC frequency of f = 10 Hz and a phase angle Δφ = 100 ° between the coils. The calculations for FIG. 6B were based on f = 60 Hz AC frequency and a phase angle of Δφ = 100 ° between the coils. The distribution of the Lorentz force field is controllable by parameters of the applied alternating current, such as the frequency, as well as the phase angle between the coils.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl durch die Einspeisung vorgegebener Stromamplituden betrieben werden, als auch mit einem zusätzlichen neuartigen Verfahren angesteuert werden. Hierbei wird der Wechselstrom, der für die Erzeugung der Lorentzkraftdichten in der Schmelze genutzt wird, vorzugsweise sinusförmig zeitlich moduliert. Verändert werden können die Amplituden des Wechselstroms, die Amplituden der Modulation, sowie die Periode der Modulation. Die zeitliche Modulation der Stromstärke kann dabei mit unterschiedlichen Parametern, wie in den Figuren 7A-E gezeigt, erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel erwies sich eine Modulation mit einer Periode von 20 s (Figur 7D) als besonders geeignet. Die genannten Verfahrensvarianten können besonders symmetrische Temperatur- und Magnetfeldverteilungen in den verwendeten Tiegeln erzeugen und geringfügig vorhandene Asymmetrien im erzeugten Magnetfeld mittein.  A device according to the invention can be operated both by the supply of predetermined current amplitudes, as well as driven by an additional novel method. In this case, the alternating current which is used for generating the Lorentz force densities in the melt is preferably time-modulated sinusoidally. It is possible to change the amplitudes of the alternating current, the amplitudes of the modulation, as well as the period of the modulation. The temporal modulation of the current can be done with different parameters, as shown in Figures 7A-E. In one embodiment, modulation with a period of 20 seconds (Figure 7D) proved to be particularly suitable. The mentioned variants of the method can produce particularly symmetrical temperature and magnetic field distributions in the crucibles used and contain slightly existing asymmetries in the generated magnetic field.

Die Figuren 8A/B zeigen dreidimensional die Temperaturverteilungen in einem Tiegel. Der Abstand der Linien zueinander ist Maß für den Temperaturverlauf, die Temperatur nimmt dabei mit zunehmendem Linienabstand zu. Die Temperatur zeigt in einem Bereich von 1550 K bis 1600 K besonders eng zueinander verlaufende Linien. Die Teildarstellungen veranschaulichen den Einfluss sinusförmig modulierter Stromstärke (Figur 8A) und den Einfluss einer konstanten Wechselstromamplitude (Figur 8B) auf das Temperaturfeld.  FIGS. 8A / B three-dimensionally show the temperature distributions in a crucible. The distance between the lines is a measure of the temperature profile, the temperature increases with increasing line spacing. The temperature shows in a range of 1550 K to 1600 K particularly closely spaced lines. The partial representations illustrate the influence of sinusoidally modulated current intensity (FIG. 8A) and the influence of a constant alternating current amplitude (FIG. 8B) on the temperature field.

Ein erfindungsgemäß erzeugter Ingot zeichnet sich dadurch aus, dass er im Vergleich zu Ingots, die nach dem Stand der Technik gezüchtet werden, über seine gesamte radiale Erstreckung, also von seinem Kernbereich hin zum Randbereich homogen kristallin ist. Ein Maß für diese radiale Homogenität ist beispielsweise die Versetzungsdichte. Experimentell zugänglich ist die Versetzungsdichte über die Ätzgrubendichte (etch pit density EPD). Diese wird ermittelt, indem die zu betrachtende Kristallfläche mit einem selektiv ätzenden Reagenz behandelt wird. Dabei entstehen an den Versetzungen Gräben, die unter einem Mikroskop als Linien sichtbar werden, deren Anzahl je Flächeneinheit der Ätzgrubendichte entspricht. Figur 9 stellt den radial zur Oberfläche experimentell bestimmten Verlauf der Ätzgrubendichte einer Halbschale eines nach dem bekannten KristMAG-Verfahren hergestellten GaAs- Kristalls (durchgezogene Linie), dem nach einem Modell zu erwartenden Verlauf eines nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kristalls gegenüber (gestrichelte Linie). Auf der Abszisse ist der Abstand a von der Mittelachse des Kristalls dargestellt. Die Mittelachse fällt dabei in den Koordinatenursprung. Die Ordinate trägt die experimentelle EPD der beiden Kristalle auf. An ingot produced according to the invention is characterized in that it is homogeneously crystalline over its entire radial extent, ie from its core region to the edge region, in comparison to ingots which are cultivated according to the prior art. A measure of this radial homogeneity is, for example, the dislocation density. The dislocation density over etch pit density (EPD) is experimentally accessible. This is determined by treating the crystal surface to be considered with a selectively etching reagent. This creates trenches at the dislocations, which are visible under a microscope as lines whose number per unit area corresponds to the Ätzgrubendichte. FIG. 9 shows the course, determined experimentally for the surface, of the etched pit density of a half-shell of a GaAs produced by the known KristMAG process, which surface is determined experimentally. Crystal (solid line), the expected after a model course of a crystal prepared by the method according to the invention (dashed line). The abscissa shows the distance a from the central axis of the crystal. The central axis falls in the coordinate origin. The ordinate carries the experimental EPD of the two crystals.

Deutlich zu sehen ist die typische W-Form (in der Abbildung nur als„halbes W" zu sehen, da nur eine Halbschale dargestellt ist), die die Versetzungsdichte eines nach Stand der Technik hergestellten Kristalls. Je höher die Ätzgrubendichte ist, desto höher ist der polykristalline Anteil an dieser Stelle. Wie ersichtlich, herrscht im Kristallkern ein hoher einkristalliner Anteil vor. Dieser nimmt nach außen hin ab und durchläuft, bevor er einen Maximalwert erreicht, ein lokales Minimum. Der Maximalwert der Ätzgrubendichte des untersuchten Kristalls ist im Randbereich fast doppelt so groß wie die Ätzgrubendichte im Kernbereich. Für Kristalle, die nach erfindungsgemäßem Verfahren hergestellt werden, ist zu erwarten, dass sie diesen typischen W-Verlauf der Ätzgrubendichte nicht zeigen. Wie Figur 9 zeigt, steigt die Ätzgrubendichte vom Kernbereich zum Randbereich zwar moderat an, durchläuft aber kein lokales Minimum.  Clearly seen is the typical W-shape (seen in the figure only as a "half W" since only a half-shell is shown), which is the dislocation density of a prior art crystal. The higher the etch pit density, the higher As can be seen, in the crystal nucleus, a high monocrystalline fraction predominates, which decreases towards the outside and, before reaching a maximum value, passes through a local minimum.The maximum value of the etched pit density of the investigated crystal is almost double in the edge region For crystals produced by the process according to the invention, it is to be expected that they do not show this typical W-curve of the etch pit density. As FIG. 9 shows, the etch pit density increases moderately from the core region to the edge region. but does not go through a local minimum.

Die Definition für Randbereich 56 und Kernbereich 55 eines Kristalls 32 (Ingot) ist in Figur 10 schematisch dargestellt. Der Kernbereich 55 ist als Körper zu verstehen, dessen äußere Form der Kristallform entspricht. Die Grundfläche 51 des Körpers im Kernbereich 55 ist bei gleicher Höhe aber um ein Drittel reduziert. Schneidet man den Kernbereich 55 aus dem Kristall 32 heraus, resultiert ein Hohlkörper, der den Randbereich 56 bildet. Die Grundfläche 51 des Hohlkörpers und damit des Randbereiches 56 entspricht einem Drittel der Grundfläche des Kristalls 32. Die Grundfläche des Kristalls 32 ergibt sich also aus der Summe der Grundflächen 51 des Kernbereichs 55 und der Grundfläche 52 des Randbereichs 56. Die Mittelachsen 50 aller drei Körper, also des Kernbereichs 55, Randbereichs 56 und Kristall 32 fallen zusammen.  The definition for edge region 56 and core region 55 of a crystal 32 (ingot) is shown schematically in FIG. The core region 55 is to be understood as a body whose outer shape corresponds to the crystal form. The base 51 of the body in the core region 55 is reduced by a third at the same height. Cutting the core region 55 out of the crystal 32 results in a hollow body forming the edge region 56. The base area 51 of the hollow body and thus of the edge area 56 corresponds to one third of the base area of the crystal 32. The base area of the crystal 32 thus results from the sum of the base areas 51 of the core area 55 and the base area 52 of the edge area 56. The central axes 50 of all three bodies , So the core portion 55, edge portion 56 and crystal 32 coincide.

Claims

Patentansprüche claims 1. Kristallisationsanlage (1 ) zur Herstellung von Kristallen durch gerichtete Erstarrung aus elektrisch leitenden Schmelzen, umfassend: 1. crystallization plant (1) for the production of crystals by directional solidification of electrically conductive melts, comprising: i. mindestens einen Tiegel (10) zur Aufnahme der Schmelze;  i. at least one crucible (10) for receiving the melt; ii. ein Heizer-Magnet-Modul (20), mit ein oder mehreren Spulen (21 ) und dazugehörigen elektrischen Zuleitungen (200), wobei jedem Tiegel ein Heizer- Magnet-Modul zugeordnet ist; und  ii. a heater-magnet module (20) having one or more coils (21) and associated electrical leads (200), each heater being associated with a heater-magnet module; and iii. eine Steuer- und Stromversorgungseinheit für das Heizer-Magnet-Modul (20), wobei das dem jeweiligen Tiegel zugeordnete Heizer-Magnet-Modul (20) derart angeordnet und elektrisch angesteuert ist, dass ein Lorentzkraftdichtefeld (40) erzeugbar ist, welches derart gerichtet ist, dass die resultierende Kraftwirkung, relativ zu einer geometrischen Mittelachse (50) des Tiegels (10), entgegen der Wachstumsrichtung nach außen wirkt.  iii. a control and power supply unit for the heater-magnet module (20), wherein the heater associated with the respective crucible magnet module (20) is arranged and electrically controlled so that a Lorentzkraftdichtefeld (40) can be generated, which is so directed in that the resulting force action, relative to a geometric central axis (50) of the crucible (10), acts outwards in the direction of growth. 2. Kristallisationsanlage nach Anspruch 1 , wobei die elektrischen Zuleitungen (200) parallel zur Mittelachse (50) des Tiegels (10) angeordnet sind. 2. crystallization system according to claim 1, wherein the electrical leads (200) are arranged parallel to the central axis (50) of the crucible (10). 3. Kristallisationsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine oder zusammengelegt mehreren Spulen (21 ) eines Heizer-Magnet-Moduls (10) einen Kreis oder eine Spirale bilden. 3. crystallization plant according to one of the preceding claims, wherein the one or more folded coils (21) of a heater-magnet module (10) form a circle or a spiral. 4. Kristallisationsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kristallisationsanlage zwei oder mehr Tiegel (10) aufweist. 4. crystallization plant according to one of the preceding claims, wherein the crystallization plant comprises two or more crucibles (10). 5. Verfahren zur Kristallzüchtung aus elektrisch leitenden Schmelzen umfassend folgende Schritte: 5. A method for growing crystals from electrically conductive melts comprising the following steps: i. Bereitstellen einer Kristallisationsanlage (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; ii. Beschicken des mindestens einen Tiegels (10) mit dem zu verarbeitendem Material und Schmelzen (30) des Materials; i. Providing a crystallisation plant (1) according to one of the preceding claims; ii. Feeding the at least one crucible (10) with the material to be processed and melting (30) the material; iii. Einleiten der Kristallisation ausgehend vom Boden des Tiegels (10); und iv. Erzeugen eines zeitlich abhängigen Magnetfeldes in der Art, dass ein entgegen der Wachstumsrichtung eines zu züchtenden Kristalls nach außen zu einem Rand des Tiegels (10) zu dem Tiegelrand gerichtetes Lorentzfeld resultiert.  iii. Initiating crystallization from the bottom of the crucible (10); and iv. Producing a time-dependent magnetic field in such a way that a Lorentz field directed against the growth direction of a crystal to be grown outwards towards an edge of the crucible (10) to the edge of the crucible results. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Lorentzkräfte zentrosymmetrisch wirken. 6. The method of claim 5, wherein the Lorentz forces act centrosymmetric. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, wobei resultierende Lorentzkräfte über eine zeitliche, insbesondere sinusförmige Modulation mindestens eines der Parameter eines angelegten Wechselstroms eingestellt werden. 7. The method according to any one of claims 5 and 6, wherein resulting Lorentz forces over a temporal, in particular sinusoidal modulation of at least one of the parameters of an applied alternating current are set. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die elektrisch leitenden Schmelzen aus Halbleiterverbindungen bestehen oder diese umfassen. 8. The method according to any one of claims 5 to 7, wherein the electrically conductive melts consist of or comprise semiconductor compounds. 9. Ingot, insbesondere monokristalliner Ingot, herstellbar oder hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8. 9. Ingot, in particular monocrystalline ingot, producible or prepared by a process according to one of claims 5 to 8. 10. Ingot, insbesondere monokristalliner Ingot, aufweisend eine, mehrere oder alle der folgenden Eigenschaften: 10. Ingot, in particular monocrystalline ingot, having one, several or all of the following properties: a) ein Verhältnis einer Ätzgrubendichte EPD(K) im Kernbereich zu einer Ätzgrubendichte EPD(R) im Randbereich genügt der Formel:  a) a ratio of etch pit density EPD (K) in the core region to etch pit density EPD (R) in the edge region satisfies the formula: EPD(R) < EPD (K); b) eine Spannungsverteilung SV(R) im Randbereich ist nicht mehr als um 100% erhöht im Vergleich zu einer Spannungsverteilung SV(K) im Kernbereich; c) eine elektrische Widerstandsverteilung EU(R) im Randbereich ist höchstens um < 10 % erhöht im Vergleich zu einer Widerstandsverteilung EU(K) im Kernbereich; und EPD (R) <EPD (K); b) a stress distribution SV (R) in the edge region is not increased by more than 100% in comparison to a stress distribution SV (K) in the core region; c) an electrical resistance distribution EU (R) in the edge area is at most increased by <10% compared to a resistance distribution EU (K) in the core area; and d) eine Partikelzahl PZ(R) im Randbereich ist höchstens um < 10 % erhöht im Vergleich zu einer Partikeldichte PZ(K) im Kernbereich,  d) a particle number PZ (R) in the edge region is increased by at most <10% compared to a particle density PZ (K) in the core region, wobei der Kernbereich als ein aus einem der äußeren Form des Ingots entsprechenden und dieselbe Mittelachse aufweisenden Körper konstruiert ist, dessen Grundfläche sieben Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht und der Randbereich aus dem verbleibendem Hohlkörper konstruiert ist, dessen Grundfläche drei Zehntel der Grundfläche des Ingots entspricht.  wherein the core portion is constructed as a body corresponding to one of the outer shape of the ingot and having the same central axis, the base area of which corresponds to seven tenths of the base area of the ingot, and the edge portion is constructed of the remaining hollow body whose base area corresponds to three tenths of the base area of the ingot. 1 1. Ingot nach Anspruch 10, bei dem der Ingot ein monokristalliner GaAs-Ingot ist. 1 1. The ingot according to claim 10, wherein the ingot is a monocrystalline GaAs ingot. 12. Ingot nach Anspruch 1 1 , bei dem eine Eigendefektdichte EL2(R) des GaAs-Ingots im Randbereich höchstens um < 50 % verringert ist im Vergleich zu einer Eigendefektdichte EL2(K) im Kernbereich. 12. Ingot according to claim 1 1, wherein a self-defect density EL2 (R) of the GaAs ingot in the edge region is reduced by at most <50% compared to a self-defect density EL2 (K) in the core region.
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