DE10058329A1

DE10058329A1 - Process for growing single crystals, especially silicon single crystals comprises pulling the single crystals with rotation from a heated crucible containing a melt made from the crystal material, and cooling the crystals

Info

Publication number: DE10058329A1
Application number: DE2000158329
Authority: DE
Inventors: Georg Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2002-05-29

Abstract

Process for growing single crystals, especially silicon single crystals according to the Czochralski method comprises pulling the single crystals with rotation from a heated crucible (7) containing a melt (3) made from the crystal material; and cooling the crystals formed above the phase boundary. An Independent claim is also included for a device for growing single crystals comprising a cooling device (1) concentrically surrounding the crystal to be grown. Preferred Features: The cooling device is a metal tube made from a double wall flexible metal bellows in which argon, nitrogen, helium, or a liquid medium made from gallium, indium, tin, mercury or water is circulated.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Züchtung von Einkristallen, insbesondere Silicium-Einkristallen, nach dem Czochralski-Verfahren, wobei der zu ziehende Kristall unter Rotationsbe wegung aus einem beheizten Tiegel mit einer Schmelze des Kristallmateri als gezogen wird, und wobei sich beim Herausziehen des Kristalls eine Phasengrenze fest/flüssig oberhalb der Oberfläche der Schmelze ausbildet.The invention relates to a method and an apparatus for Growing single crystals, especially silicon single crystals, after Czochralski process, wherein the crystal to be pulled under rotation Movement out of a heated crucible with a melt of the crystal material than being pulled, and a Solid / liquid phase boundary forms above the surface of the melt.

Silicium-Halbleiter-Kristalle werden heute weltweit zu 80% nach diesem Verfahren hergestellt. Die derzeit technisch produzierten Kristalldurchmes ser erreichen bis 300 mm bei einer Kristall-Länge von 1 m. Derzeit wird an Verfahren zur Herstellung von Kristallen von 400 bis 500 mm Durchmes ser und einem Gewicht bis zu 500 kg geforscht.Silicon semiconductor crystals are today 80% of this worldwide Process manufactured. The currently technically produced crystal diameters These reach up to 300 mm with a crystal length of 1 m. Is currently on Process for the production of crystals with a diameter of 400 to 500 mm researched and a weight up to 500 kg.

Diese weltweit angestrebte Vergrößerung der Kristalle ist vor dem Hinter grund einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung von Bauelementen aus diesen Kristallen zu sehen.This worldwide desired enlargement of the crystals is in the background due to an improvement in the economy of manufacturing Components from these crystals can be seen.

Ein weiterer wichtiger wirtschaftlicher Gesichtspunkt ist die erreichbare Qualität der Kristalle. Gefordert wird von den Silicium-Bauelemente- Herstellern die Einhaltung einer ganz genau definierten Konzentration von Silicium-Punkt-Fehlstellen (defect engineering), d. h. Leerstellen und Zwi schengitteratomen des Silicium-Kristallgitters sowie daraus gebildeten Komplexen. Der Trend geht hierbei dahin, daß die Höhe der geforderten Defektkonzentration immer geringer wird, d. h. die Kristalle werden immer defektärmer. Nach dem derzeitigen Stand der Kenntnisse wird die Konzen tration dieser Defekte durch die Temperaturführung, d. h. insbesondere durch den örtlichen und zeitlichen Verlauf der Temperatur im Siliciumkri stall während des Wachstums und der Abkühlphase bestimmt.Another important economic point of view is that which can be achieved Quality of the crystals. The silicon components are required Manufacturers compliance with a very precisely defined concentration of Silicon point defects (defect engineering), d. H. Spaces and intermediate atomic atoms of the silicon crystal lattice and formed therefrom Complex. The trend here is that the amount required Defect concentration is getting lower, d. H. the crystals are always defective poorer. According to the current state of knowledge, the Konzen tration of these defects through the temperature control, d. H. in particular by the local and temporal course of the temperature in the silicon crystal stall determined during the growth and cooling phase.

Eine besondere kritische Rolle spielt hierbei die Wachstumsrate V des Kri stalls, die aus Wirtschaftlichkeitsgründen möglichst hoch sein soll, und die axial gerichtete Komponente des Temperaturgradienten G im Kristall in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze fest/flüssig. Dabei hat sich gezeigt, daß ein bestimmter Wert des Verhältnisses G/V zu optimalen Kristalleigen schaften führt.The growth rate V of the Kri plays a particularly critical role here stalls, which should be as high as possible for economic reasons, and the axially directed component of the temperature gradient G in the crystal in immediate vicinity of the solid / liquid phase boundary. It has been shown that a certain value of the ratio W / V to optimal crystals leads.

Um diesen Wert einzustellen, wurden verschiedene Zusätze, wie eine zwi schen Schmelzoberfläche und oberen Tiegelrand angebrachte thermische Abschirmung oder ein über der Schmelzoberfläche und dem Bereich der Phasengrenze angebrachter Zusatzheizer entwickelt.In order to set this value, various additives, such as a two thermal surface and the upper edge of the crucible Shielding or one over the enamel surface and the area of the Auxiliary heater phase limit developed.

Mit diesen Maßnahmen wurde jedoch nicht eine Einstellung einer mög lichst planaren Form der Phasengrenze bei gleichzeitig hohem axialem Temperaturgradienten G erreicht. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu grunde, daß sich hierdurch aber gerade der optimale, konstante Wert von G/V über den gesamten Kristalldurchmesser bei einer hohen Wachstums rate V erreichen ließe, die eine wirtschaftliche Kristallproduktion ermög licht.However, these measures did not make it possible to hire one Most planar form of the phase boundary with a high axial Temperature gradient G reached. The invention is based on the knowledge reasons that this results in the optimal, constant value of W / V over the entire crystal diameter with high growth rate V, which enables economical crystal production light.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfah ren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, daß Kristallqualität und Wachstumsgeschwindigkeit weiter verbessert werden. Proceeding from this, the object of the invention is a method ren and a device of the generic type so that Crystal quality and growth rate can be further improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfah ren dadurch gelöst, daß der sich bildende Kristall oberhalb der Phasengren ze fest/flüssig aktiv gekühlt wird bzw., daß bei einer gattungsgemäß als be kannt vorausgesetzten Vorrichtung eine Kühleinrichtung für den sich bil denden Einkristall vorgesehen ist.This object is achieved according to the invention in a generic method ren solved in that the crystal that forms above the phase boundaries ze solid / liquid is actively cooled or that in a generic as be Knows presupposed device a cooling device for the bil the single crystal is provided.

Sofern im Vorstehenden von einer aktiven Kühlung die Rede ist, ist dies so zu verstehen, daß eine zusätzliche Kühlung über die Abkühlungswirkung hinaus vorgesehen ist, die sich allein dadurch einstellt, daß der Kristall den geheizten Tiegel mit der Schmelze verläßt und dadurch natürlich ohnehin abkühlt und sich verfestigt.If active cooling is mentioned above, this is the case to understand that additional cooling via the cooling effect is also provided, which arises only in that the crystal heated crucible with the melt leaves and of course anyway cools down and solidifies.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird der axiale Wärmetrans port gesteuert und optimiert.Due to the configuration according to the invention, the axial heat transfer port controlled and optimized.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü chen, wonach insbesondere vorgesehen ist, daß als Kühleinrichtung ein zylindrischer, doppelwandiger, mit einem Kühlmedium gefüllter Metall schlauch verwendet wird, dessen Position während des Ziehvorgangs va riabel ist, so daß eine Steuerung bzw. Regelung des Ziehvorgangs einerseits über die Position der Kühleinrichtung und andererseits über die Tempera tureinstellung der Kühleinrichtung möglich ist.Further advantageous configurations result from the subclaims Chen, according to which it is provided in particular that as a cooling device cylindrical, double-walled metal filled with a cooling medium hose is used, the position during the drawing process va riabel is so that a control or regulation of the drawing process on the one hand on the position of the cooling device and on the other hand on the tempera setting of the cooling device is possible.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen The invention is described below on the basis of a preferred embodiment example explained in connection with the drawing. Show

Fig. 1 und Fig. 2 jeweils eine schematische vertikale Schnittdarstellung zweier unterschiedlicher Ausführungsformen einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 1 and Fig. 2 are each a schematic vertical sectional view of two different embodiments of an inventive device.

Eine in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt eine Kühleinrichtung 1 in Form eines doppelwandigen Metallschlauchs der Länge L, der den aus der Schmelze 3 gezogenen Kristall 2 oberhalb der Phasengrenze fest/flüssig 5 konzentrisch umgibt. Die Schmelze 3 befindet sich in einem Tiegel 7, der über eine in der Zeichnung nicht dargestellte Heizeinrichtung beheizt wird. Die Phasengrenze fest/flüssig 5 liegt etwas oberhalb der Oberfläche 6 der Schmelze 3.A device shown in Fig. 1 comprises a cooling device 1 in the form of a double-walled metal hose of length L, which concentrically surrounds the crystal 2 drawn from the melt 3 above the solid / liquid phase boundary 5 . The melt 3 is located in a crucible 7 , which is heated by a heating device, not shown in the drawing. The phase boundary solid / liquid 5 lies somewhat above the surface 6 of the melt 3 .

Die Kühleinrichtung 1 ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 feststehend ausgebildet und wird von einem gasförmigen Kühlmedium, wie z. B. Argon, Stickstoff, Helium oder einer Kühlflüssigkeit, wie Gallium, Quecksilber oder Wasser durchströmt.The cooling device 1 is fixed in the embodiment of FIG. 1 and is from a gaseous cooling medium, such as. B. flows through argon, nitrogen, helium or a cooling liquid such as gallium, mercury or water.

Die Position des unteren Endes des Kühlschlauchs der Kühleinrichtung 1 ist wichtig für die Regelung der Wärmeübertragung und kann mittels einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stelleinrichtung (analog 8 in Fig. 2) variabel eingestellt werden.The position of the lower end of the cooling hose of the cooling device 1 is important for the regulation of the heat transfer and can be variably adjusted by means of an adjusting device (not shown in the drawing) (analog 8 in FIG. 2).

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Kühleinrichtung 1 an dem den Kristall 2 ziehenden rotierenden Ziehkopf 10 befestigt und rotiert dement sprechend mit diesem. In the embodiment according to FIG. 2, the cooling device 1 is fastened to the rotating pulling head 10 pulling the crystal 2 and accordingly rotates with it.

Die untere Position der Kühleinrichtung 1 wird durch eine Fixiereinrich tung 8 definiert, die zum Beispiel durch eine oder mehrere Stangen gebildet sein kann.The lower position of the cooling device 1 is defined by a Fixiereinrich device 8 , which can be formed for example by one or more rods.

Alternativ kann auch ein Spindelgetriebe vorgesehen sein, oder durch eine Seilzuganordnung, wobei die Spannung des Seilzuges durch einen Über druck des Kühlmediums in der durch einen flexiblen Schlauch realisierten Kühleinrichtung 1 eingestellt werden kann.Alternatively, a spindle gear can also be provided, or by means of a cable pull arrangement, wherein the tension of the cable pull can be adjusted by an overpressure of the cooling medium in the cooling device 1 realized by a flexible hose.

Ein Vorteil einer solchen Seilzugeinrichtung besteht in ihrer sehr einfachen Längenanpaßbarkeit und der geringen erforderlichen Arbeitshöhe im Ober bereich der Anlage.An advantage of such a cable pull device is that it is very simple Adaptability in length and the low required working height in the upper area of the facility.

Das Kühlmedium wird der Kühleinrichtung 1 von oben kontinuierlich zu- und wieder abgeführt. Die Wärmeübertragung vom Kristall auf die Kühl einrichtung erfolgt durch Strahlung sowie durch Konvektion und Leitung über das Gas in der Anlage. Die Wärmeübertragung kann durch Erhöhung der Emissivität der Innen- und Außenwand des Kühlschlauchs erhöht wer den.The cooling medium is continuously fed to cooling device 1 from above and discharged again. The heat is transferred from the crystal to the cooling device by radiation as well as by convection and conduction via the gas in the system. The heat transfer can be increased by increasing the emissivity of the inner and outer wall of the cooling hose.

Beim in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erhöhung der Wärmeübertragungseffektivität vom Kristall auf die Kühleinrichtung 1 noch ein wärmeleitender Ansatz 9 vorgesehen.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, a heat-conducting attachment 9 is also provided to increase the heat transfer effectiveness from the crystal to the cooling device 1 .

Claims

1. A method for growing single crystals, in particular silicon single crystals, according to the Czochralski method, the crystal to be pulled being pulled out of a heated crucible with a melt of the crystal material while rotating, and wherein a phase boundary is fixed when the crystal is pulled out / forms liquid above the surface of the melt, characterized in that the crystal which forms is actively cooled solid / liquid above the phase boundary.

2. The method according to claim 1, characterized in that the positi solid / liquid can be produced on the cooling device relative to the phase boundary and this position and / or the temperature of the cooling device for one Control or regulation process is used.

3. A device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that a cooling device ( 1 ) for the bil single crystal ( 2 ) is provided.

4. The device according to claim 3, characterized in that the cooling device ( 1 ) comprises a double-jacket cooling hose ( 1 ) which surrounds the crystal to be drawn ( 2 ) concentrically.

5. The device according to claim 4, characterized in that the cooling hose ( 1 ) is a metal hose.

6. The device according to claim 4, characterized in that the Cooling hose consists of a double-walled, flexible metal bellows that is sealed gas-tight and in which a gaseous cooling medium such as Argon, nitrogen, helium or a liquid cooling medium such as gallium, Indium, tin, mercury, water and circulates there.

7. The device according to claim 3, characterized in that a direction for vertical shifting of the cooling device ( 1 ) is easily seen.

8. The device according to claim 3, characterized in that the cooling device ( 1 ) is arranged rotatably relative to the crystal ( 2 ).

9. The device according to claim 3, characterized in that the cooling device ( 1 ) with the drawing head ( 10 ) is in rotational connection.

10. The device according to claim 3, characterized in that a fixing device ( 8 ) is provided for determining the position of the lower end of the cooling device ( 1 ) bil denden cooling hose.

11. The device according to claim 10, characterized in that the fi xiereinrichtung ( 8 ) consists of one or more rods, a spindle gear or a cable comprising one or more ropes.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the tension of the cable of the fixing device ( 8 ) by an overpressure of the cooling medium in a flexible cooling hose ( 1 ) is set.

13. The apparatus according to claim 3, characterized in that Einrich lines for the continuous supply and removal of a cooling medium to the cooling device ( 1 ) are provided.

14. The apparatus according to claim 3, characterized in that the cooling device ( 1 ) to increase the heat transfer has an approach ( 9 ).

15. The apparatus according to claim 3, characterized in that cooling direction includes several sections in the axial direction, if necessary are temperable at different temperatures.