CH413800A - Crucibles for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt - Google Patents

Crucibles for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt

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CH413800A
CH413800A CH1110464A CH1110464A CH413800A CH 413800 A CH413800 A CH 413800A CH 1110464 A CH1110464 A CH 1110464A CH 1110464 A CH1110464 A CH 1110464A CH 413800 A CH413800 A CH 413800A
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CH
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melt
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silicon
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CH1110464A
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Norbert Dr Schink
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Siemens Ag
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    • C30B15/10Crucibles or containers for supporting the melt
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    • C04B41/45Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
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Description

  

  Tiegel     zurr    Ziehen von     Kristallen,        insbesondere    von     Halbleiterkristallen    aus der Schmelze    Die Erfindung betrifft einen Tiegel zum Ziehen  von Kristallen aus der Schmelze. Es sind beispiels  weise aus der deutschen Patentschrift Nr. 894 293  Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen von  Kristallen durch Ziehen aus der Schmelze nach       Czochralski    bekanntgeworden. Für gewöhnlich wird  ein Keimkristall, welcher in den meisten Fällen ein  kristallin ist, in die     Schmelze    getaucht und langsam  aus der Schmelze emporgezogen, wobei das an dem  Keimkristall anwachsende Material ebenfalls ein  kristallin erstarrt.

   Die zur Durchführung des Ver  fahrens notwendige Vorrichtung besteht aus einem  Tiegel, welcher die Schmelze enthält, und welcher in  geeigneter Weise beheizt wird, sowie einer beweg  baren Halterung, welche den Keimkristall hält. Diese  Halterung muss von der Schmelze wegbewegt werden  können, damit der entstehende Kristall langsam an  den Keimkristall anwachsen kann. Die Halterung  wird für gewöhnlich in lotrechter Richtung nach  oben von der     Schmelze    wegbewegt. Zwecks Stabili  sierung und zwecks Vergleichsmässigung der Form  des entstehenden     Kristalls    kann die Halterung um  die eigene Achse gedreht werden. Selbstverständlich  kann auch der Tiegel um seine Achse gedreht wer  den, was den gleichen Erfolg verbürgt. Die gesamte  Vorrichtung kann in ein Schutzgefäss bzw.

   Vakuum  gefäss eingeschlossen sein, durch welches eine ge  eignete Umgebungsatmosphäre aufrechterhalten wird.  



  Wie sich bei durchgeführten Versuchen heraus  stellte, treten beim Ziehen aus der Schmelze ins  besondere dann Schwierigkeiten auf, wenn die  Schmelze aus einem Material besteht, welches die       Tiegelwand    sehr gut benetzt. So hat es sich z. B.  herausgestellt, dass beim Ziehen von Silizium aus       Graphittiegeln    die     Siliziumschmelze    die     Tiegelwände     sehr gut benetzt und an diesen     Tiegelwänden    hin  aufkriecht.

   Will man nun das gesamte Material aus    dem Tiegel herausziehen, so tritt entweder kurz vor  Beendigung des Ziehvorganges oder auch schon in  einem mittleren Stadium des Verfahrens die Er  scheinung auf, dass der entstehende Kristallstab nicht  mehr wie gewünscht etwa     im    mittleren Bereich des  Tiegels aufwächst, sondern in einen seitlichen Be  reich des Tiegels wandert und an einer Seitenwand  des Tiegels erstarrt. Der entstehende Kristall ist des  halb entweder verbogen oder im Falle der Drehung  der Halterung oder des Tiegels sogar zerbrochen.  In jedem Falle wirkt sich diese Erscheinung sehr  störend aus.  



  Die Erfindung schafft hier Abhilfe, indem die       Benetzung    der     Tiegelwand    unterdrückt wird. Die Er  findung betrifft deshalb einen Tiegel zum Ziehen  von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen,  aus der     Schmelze,    welcher erfindungsgemäss dadurch  gekennzeichnet ist, dass die     Tiegelwand    zumindest  in dem die Schmelze berührenden Bereich mit einem  Überzug aus     Siliziumnitrid    versehen ist.  



  Das     Siliziumnitrid        Si3N4    ist eine pulverige bis  pelzige Masse, welche von Schmelzen, insbesondere  Halbleiterschmelzen, z. B. Silizium, nicht benetzt  wird. Das     Siliziumnitrid    kann auf die     Tiegelwand     z. B. in folgender Weise aufgebracht werden: Man  rührt amorphes     Siliziumnitrid    mit Wasser an und       trägt    diese Masse auf die     Tiegelwand    auf. Nach dem  Austrocknen des Wassers sind die einzelnen     Sili-          ziumnitridteilchen    miteinander verfilzt und bilden  eine verhältnismässig dichte Schicht.  



  Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstel  len eines Tiegels mit einem Überzug aus Silizium  nitrid besteht darin, dass auf der     Tiegelwand    ein       Siliziumüberzug    niedergeschlagen und dann     in    Ge  genwart von Stickstoff bis zur Reaktion erhitzt wird.  So können z. B. Tiegel aus Graphit oder aus Quarz  mit derartigen Überzügen versehen werden. Durch      geeignete Reaktionsführung     1'ässt    es sich gegebenen  falls sogar erreichen, dass nur der Innenraum des  Tiegels, welcher durch die     Schmelze    berührt wird,  mit einem derartigen Überzug versehen wird. Man  kann z. B.

   Silizium auf Graphit oder Quarz bei  höheren Temperaturen aus gasförmigen     Siliziumver-          bindungen        pyrolytisch    abscheiden. Man kann aber  auch das Silizium aus entsprechenden gasförmigen  Verbindungen durch Reaktion mit einem geeigneten  Reaktionspartner in der Wärme abscheiden. So kann  man beispielsweise aus     Silicochloroform    oder     Sili-          ziumtetrachlorid    durch Reduktion mit Wasserstoff  bei höheren Temperaturen Silizium abscheiden. Die       Tiegelwand,    auf welcher das Silizium abgeschieden  werden soll, muss hierbei auf etwa 1000 bis 1100  C  erwärmt werden.

   Man kann beispielsweise die Tiegel  wand durch     Strahlung    erwärmen oder im Fall, dass  sie aus einem elektrisch leitfähigen Stoff besteht,  z. B. aus Graphit, durch direkte elektrische     Behei-          zung    oder durch induktive     Hochfrequenzheizung.     



  Selbstverständlich können auch andere Tiegel  materialien mit einer derartigen     Siliziumnitridschicht     versehen werden, z. B. Tiegel, welche aus kerami  schem Material hergestellt sind, wie z. B. aus Alu  miniumoxyd     (Sinterkorund).    Die abgeschiedene     Si-          liziumschicht    sollte etwa 5 bis     50,u    dick sein, z. B.       etwa    30 lt. Diese     Siliziumschicht    wird danach auf  etwa l300  C in     Gegenwart    von Stickstoff auf  geheizt. Die Erwärmung kann etwa 10 bis 120 Mi  nuten dauern. In dieser Zeit wird das Silizium zum  grösseren Teil in     Siliziumnitrid    umgewandelt.

   Wenn  dies erforderlich erscheint, kann die Reaktion bis zur    vollständigen Umwandlung des abgeschiedenen Si  liziums durchgeführt werden.  



  Der Hauptvorteil der erfindungsgemässen Vor  richtung besteht darin, dass der Tiegel einerseits wohl  aus den Stoffen hergestellt werden kann, welche  auch noch bei höheren Temperaturen eine genügende  Festigkeit aufweisen, dass aber anderseits die  Schmelze nicht mit diesen Stoffen in Berührung  kommt, welche andere für die Schmelze nachteilige  Eigenschaften aufweisen. So benetzen beispielsweise  Schmelzen aus Silizium, Germanium oder Aluminium  verschiedene Stoffe sehr stark, während sie     Silizium-          nitrid    so gut wie überhaupt nicht benetzen.  



  Insbesondere für Silizium mit seiner hohen  Schmelztemperatur sind nur noch wenige Stoffe als  Material für die     Tiegelwandung    geeignet, welche alle  diese unangenehme Eigenschaft aufweisen und des  halb durch den erfindungsgemäss aufgebrachten  Überzug ihrem Verwendungszweck besser angepasst  werden können.



  Crucible for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt. The invention relates to a crucible for pulling crystals from the melt. There are example, from German Patent No. 894 293 methods and devices for producing crystals by pulling from the melt according to Czochralski become known. Usually a seed crystal, which in most cases is a crystalline, is immersed in the melt and slowly pulled up from the melt, the material growing on the seed crystal likewise solidifying in a crystalline manner.

   The device necessary to carry out the process consists of a crucible which contains the melt and which is heated in a suitable manner, as well as a movable holder which holds the seed crystal. This holder must be able to be moved away from the melt so that the resulting crystal can slowly grow onto the seed crystal. The holder is usually moved in a vertical direction upwards away from the melt. For the purpose of stabilization and for the purpose of comparing the shape of the resulting crystal, the holder can be rotated around its own axis. Of course, the crucible can also be rotated around its axis, which guarantees the same success. The entire device can be placed in a protective vessel or

   Vacuum vessel to be included, through which a suitable ambient atmosphere is maintained.



  As it turned out in tests carried out, difficulties arise when drawing from the melt in particular when the melt consists of a material which wets the crucible wall very well. So it has z. It has been shown, for example, that when silicon is drawn from graphite crucibles, the silicon melt wets the crucible walls very well and creeps up on these crucible walls.

   If you want to pull all of the material out of the crucible, either shortly before the end of the drawing process or even in a middle stage of the process, it appears that the resulting crystal rod no longer grows as desired in the central area of the crucible, but In a lateral area of the crucible Be migrates and solidifies on a side wall of the crucible. The resulting crystal is therefore either bent or even broken if the holder or the crucible is rotated. In any case, this phenomenon has a very disturbing effect.



  The invention provides a remedy here by suppressing the wetting of the crucible wall. The invention therefore relates to a crucible for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt, which is characterized according to the invention in that the crucible wall is provided with a coating of silicon nitride at least in the area in contact with the melt.



  The silicon nitride Si3N4 is a powdery to furry mass, which consists of melts, in particular semiconductor melts, e.g. B. silicon, is not wetted. The silicon nitride can be applied to the crucible wall z. B. be applied in the following way: Amorphous silicon nitride is stirred with water and this mass is applied to the crucible wall. After the water has dried out, the individual silicon nitride particles are matted with one another and form a relatively dense layer.



  The method according to the invention for producing a crucible with a coating of silicon nitride consists in depositing a silicon coating on the crucible wall and then heating it in the presence of nitrogen until it reacts. So z. B. crucibles made of graphite or quartz can be provided with such coatings. By means of a suitable reaction procedure 1 ', it may even be possible, if necessary, that only the interior of the crucible which is touched by the melt is provided with such a coating. You can z. B.

   Pyrolytically deposit silicon on graphite or quartz at higher temperatures from gaseous silicon compounds. But you can also deposit the silicon from appropriate gaseous compounds by reacting with a suitable reactant in the heat. For example, silicon can be deposited from silicochloroform or silicon tetrachloride by reduction with hydrogen at higher temperatures. The crucible wall on which the silicon is to be deposited must be heated to around 1000 to 1100 ° C.

   You can for example heat the crucible wall by radiation or in the case that it consists of an electrically conductive material, for. B. made of graphite, by direct electrical heating or by inductive high-frequency heating.



  Of course, other crucible materials can be provided with such a silicon nitride layer, for. B. crucibles, which are made of ceramic Shem material, such as. B. made of aluminum oxide (sintered corundum). The deposited silicon layer should be about 5 to 50 µm thick, e.g. B. about 30 lt. This silicon layer is then heated to about 1300 C in the presence of nitrogen. The heating can take about 10 to 120 minutes. During this time, the silicon is largely converted into silicon nitride.

   If this appears necessary, the reaction can be carried out until the deposited silicon has been completely converted.



  The main advantage of the device according to the invention is that the crucible can on the one hand be made of materials which have sufficient strength even at higher temperatures, but on the other hand the melt does not come into contact with these materials, which others do for the melt have disadvantageous properties. For example, melts made of silicon, germanium or aluminum wet various substances very strongly, while they hardly wet silicon nitride at all.



  In particular for silicon with its high melting temperature, only a few substances are suitable as material for the crucible wall, all of which have this unpleasant property and can therefore be better adapted to their intended use through the coating applied according to the invention.

 

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE I. Tiegel zum Ziehen von Kristallen, insbesondere von Halbleiterkristallen, aus der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwand zumindest in dem die Schmelze berührenden Bereich mit einem Überzug aus Siliziumnitrid versehen ist. I1. Verfahren zum Herstellen eines Tiegels nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Tiegelwand ein Siliziumüberzug niedergeschlagen und dann in Gegenwart von Stickstoff bis zur Reak tion erhitzt wird. PATENT CLAIMS I. Crucible for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt, characterized in that the crucible wall is provided with a coating of silicon nitride at least in the area in contact with the melt. I1. A method for producing a crucible according to claim 1, characterized in that a silicon coating is deposited on the crucible wall and is then heated in the presence of nitrogen until it reacts.
CH1110464A 1963-12-14 1964-08-25 Crucibles for pulling crystals, in particular semiconductor crystals, from the melt CH413800A (en)

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US4090851A (en) * 1976-10-15 1978-05-23 Rca Corporation Si3 N4 Coated crucible and die means for growing single crystalline silicon sheets
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NL6414530A (en) 1965-06-15

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