DE102004020656A1 - Device for growing a single crystal semiconductor compound/crystal rod by a vapor pressure controlled Czochralski process providing stable and reproducible crystal growth with control of the crystal rod diameter without the use of B2O3 - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Züchtung von einkristallinen Verbindungshalbleiter-Kristallstäben nach dem dampfdruckkontrollierten Czochralski(VCz)-Verfahren, aufweisend mindestens einen Tiegel mit der Schmelze der Komponenten eines Verbindungshalbleiters, einen Keimkristall und einen Gasraum oberhalb der Schmelze.The The invention relates to a device for growing monocrystalline Compound semiconductor crystal rods according to the vapor pressure controlled Czochralski (VCz) method, comprising at least one crucible with the melt of the components of a compound semiconductor, a seed crystal and a gas space above the melt.
Für die Kristallzüchtung von Verbindungshalbleitern im System ohne Kontakt des Kristalls mit dem Schmelztiegel, wie z. B. GaAs, ist das LEC (Liquid Encapsulated Czochralski)-Verfahren das weltweit dominierende Verfahren, beispielweise in J. Crystal Growth 198/199 (1999) 325–335 beschrieben. Bei dieser speziellen Variante des allgemein bekannten Czochralski-Verfahrens wird die Schmelze durch eine Boroxidschmelze abgedeckt. Diese Boroxidschmelze besitzt bei der Einkristallzüchtung neben der Verhinderung der Veränderung der Zusammensetzung der Schmelze durch Abdampfen der Komponente mit dem höheren Dampfdruck unter anderem die Funktion der Beeinflussung der chemischen Wechselwirkungen im System.For the crystal growth of Compound semiconductors in the system without contact of the crystal with the Crucible, such. GaAs, is the LEC (Liquid Encapsulated Czochralski) method the world-dominant process, for example in J. Crystal Growth 198/199 (1999) 325-335. At this special variant of the well-known Czochralski method the melt is covered by a Boroxidschmelze. This Boroxidschmelze possesses in the single crystal breeding besides the prevention of change the composition of the melt by evaporation of the component with the higher one Vapor pressure, inter alia, the function of influencing the chemical Interactions in the system.
Der
Schutz des wachsenden Kristalls vor dem Abdampfen der flüchtigen
Komponente erzwingt hohe axiale Gradienten im Kristall, damit bei
vertretbaren Einwaagemengen von B2O3 die Oberfläche des Kristallstabes am Ort
des Austretens aus der B2O3-Abdeckschmelze
eine hinreichend niedrige Temperatur hat. Gleichzeitig wird im Bereich
des Übergangs
der Oberfläche
des wachsenden Kristallstabes aus der B2O3-Schmelze in den Gasraum ein Gebiet erhöhter Defektbildung
beobachtet. Ein mögliches
Verfahren, welches die Züchtung
bei verringerten Temperaturgradienten erlaubt, ist das Vapour Pressure
Controlled Czochralski (VCz)-Verfahren. Eine ausführliche
Beschreibung dieses modifizierten Czochralski-Verfahrens erfolgte
z. B. in Materials Science and Engineering B28 (1994) 65–71 und
Weiterhin besitzt die B2O3-Abdeckschmelze bei der Züchtung eine chemische Funktion, im besonderen die Reinigung der Schmelze von einer Reihe oxidierbarer Verunreinigungen (Beeinflussung der Konzentration von Verunreinigungen (siehe u.a. Adv. Mater.; 3 (1991) 9; 429 ff.) und die Verringerung der Wirkung unerwünschter chemischer Komponenten aus der Gasphase. Nachteilig ist, dass borarme Kristalle nicht herstellbar sind. Wesentlich nachteiliger ist die Reaktion des B2O3 mit gezielt einzubringenden Dotierstoffen wie beispielsweise Silizium. Aus diesem Grund wird mittels LEC Si-dotiertes GaAs nicht in kommerziellem Maßstab hergestellt.Furthermore, the B 2 O 3 -Abdeckschmelze in the cultivation of a chemical function, in particular the purification of the melt of a number of oxidizable impurities (influencing the concentration of impurities (see, inter alia Adv. Mater, 3 (1991) 9, 429 et seq. It is disadvantageous that boron-poor crystals can not be produced, but the reaction of B 2 O 3 with dopants, such as silicon, which are to be deliberately introduced is considerably more disadvantageous GaAs not manufactured on a commercial scale.
Das oben angeführte VCz-Verfahren ermöglicht prinzipiell auch, wie von M. Neubert und P. Rudolph in Progress in Crystal Growth and Characterization of Material (2001) 119–185 erstmalig beschrieben, eine Züchtung von z. B. GaAs ohne Verwendung einer Boroxidabdeckschmelze. Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus. Bei den in der Veröffentlichung beschriebenen Versuchen konnte gezeigt werden, dass die Zusammensetzung der Schmelze kontrollierbar ist. Jedoch erwies sich die Einkristallzüchtung durch das Fehlen der Boroxidabdeckschmelze als problematisch. Es treten in der Nähe des Drei-Phasengleichgewichtspunktes (Gas, Kristall und Schmelze) sehr geringe bzw. negative radiale Gradienten in der Schmelze auf, welche eine Durchmesserregelung drastisch erschweren. Weiterhin war durch die im Vergleich zum VCz mit Abdeckschmelze weiter verringerten axialen Gradienten im Kristall die Einstellung einer konvexen Phasengrenze festflüssig nicht möglich. Ursache für dieses Problem ist eine bislang wenig beachtete weitere Wirkung der B2O3-Abdeckschmelze, die thermische Isolation der GaAs-Schmelze, die verantwortlich für die radialen Temperaturgradienten in der Schmelze ist.In principle, the above-mentioned VCz method also allows, as described by M. Neubert and P. Rudolph in Progress in Crystal Growth and Characterization of Material (2001) 119-185, a breeding of e.g. GaAs without the use of a Boroxidabdeckschmelze. From this prior art, the invention is based. In the experiments described in the publication could be shown that the composition of the melt is controllable. However, single crystal growth proved to be problematic due to the absence of boron oxide cover melt. There are very small or negative radial gradients in the melt in the vicinity of the three-phase equilibrium point (gas, crystal and melt), which drastically complicate a diameter control. Furthermore, the setting of a convex phase boundary was not possible due to the further reduced axial gradient in the crystal compared to VCz with cover melt. The cause of this problem is a hitherto neglected further effect of the B 2 O 3 cover melt, the thermal insulation of the GaAs melt, which is responsible for the radial temperature gradients in the melt.
Im
Stand der Technik sind Lösungen
zur Beeinflussung der Temperaturfelder für die Züchtung von Halbleitereinkristallen,
insbesondere von Silizium, beschrieben. So ist aus
In
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Lösung zur Züchtung von einkristallinen Verbindungshalbleiter-Kristallstäben nach dem dampfdruckkontrollierten Czochralski(VCz)-Verfahren ohne Verwendung von B2O3 anzugeben, die einfach handhabbar ist und ein stabiles und reproduzierbares Einkristallwachstum eines Verbindungshalbleiter-Kristallstabes einschließlich einer Regelung des Durchmesseres des gezogenen Kristallstabes ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a solution for the growth of monocrystalline compound semiconductor crystal rods according to the vapor-pressure controlled Czochralski (VCz) method without the use of B 2 O 3 , which is easy to handle and a stable and reproducible single crystal growth of a compound semiconductor crystal rod including a Control of the diameter of the pulled crystal bar allows.
Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß eine Blende als Mittel zur Einstellung eines definierten Temperaturgradienten in der Schmelze im Gasraum in geringem Abstand zur Oberfläche der Schmelze angeordnet ist, wobei diese eine mittig angeordnete annähernd kreisförmige Öffnung aufweist, deren Durchmesser das 1,05- bis 1,5fache des Durchmessers des zu züchtenden Kristallstabes beträgt und die Außenränder der Blende um das 0,005- bis 0,25fache des Tiegeldurchmessers vom Tiegelrand entfernt sind.The Task is for a device of the type mentioned solved in that According to the invention, a diaphragm as means for setting a defined temperature gradient in the melt in the gas space at a small distance to the surface of the Melt is arranged, wherein this has a centrally arranged approximately circular opening, whose diameter is 1.05 to 1.5 times the diameter of the breeding Crystal bar is and the outer edges of the Aperture 0.005 to 0.25 times the crucible diameter from the edge of the crucible are removed.
In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, die Blende kreisförmig auszubilden. Für oxidierende Bedingungen besteht sie aus einem der Materialien Iridium, Palladium und einer Oxidkeramik, für reduzierende Bedingungen aus einem der Materialien Molybdän oder Graphit (in allen Ausführungsformen). Die Blende kann auch höhenverstellbar ausgebildet sein.In embodiments The invention is intended to form the diaphragm circular. For oxidizing Conditions it consists of one of the materials iridium, palladium and an oxide ceramic, for reducing conditions of one of the materials molybdenum or graphite (in all embodiments). The bezel can also be height-adjustable be educated.
Erfindungsgemäß können damit über die thermischen und optischen Eigenschaften der Blende, deren Abmessung und deren Abstand zur Schmelzoberfläche die radialen Temperaturgradienten in der Schmelze und damit auch die Form der Phasengrenze gezielt eingestellt werden.According to the invention can thus on the thermal and optical properties of the diaphragm, their dimensions and their Distance to the enamel surface the radial temperature gradients in the melt and thus also the shape of the phase boundary can be set specifically.
Die Erfindung wird in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigenThe Invention will be in the following embodiment illustrated by drawings. Show
Die
fehlende thermische Isolation der B2O3-Abdeckschmelze führt – wie bereits erwähnt und
in Progress in Crystal Growth and Characterization of Material (2001)
119–185
beschrieben – zu
einer erheblichen Abstrahlung der Wärme aus der Schmelze in den
darüber
liegenden Gasraum. Dadurch ist auch eine größere Heizerleistung zum Erhalt
der Temperatur der Schmelze erforderlich. In der
Zahlreiche
Modifikationen der Heizergeometrie und des Regimes ihrer Ansteuerung
führten
nicht zum gewünschten
Erfolg. Eine überraschend
gute Wirkung wurde dagegen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, bei
der eine Blende im Gasraum oberhalb der Schmelze in geringem Abstand
zu dieser zu Beginn des Züchtungsprozesses
angeordnet ist. Eine planare Form der Blende ist möglich, erfindungsgemäß können jedoch
auch andere Formen gewählt
werden. Eine rotationssymmetrische Geometrie ist nicht Bedingung, Öffnungen
im äußeren Bereich
der Abschirmung sind möglich.
In
In
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Erhöhung der axialen Temperaturgradienten im Kristall. Aufgrund der Abschirmung der Schmelze sinken die erforderliche Heizleistungen um ca. 10 %. Mit den höheren axialen Gradienten wird der Regelbereich für die Form der Phasengrenze deutlich erweitert. Es ist nun möglich, die Phasengrenze auf die für ein defektarmes Wachstum förderliche Form einzustellen. Weiterhin ist eine Durchmesserkontrolle aufgrund der höheren radialen Gradienten gewährleistet. Dies ist besonders wichtig zu Beginn des Wachstumsprozesses und im Konusbereich, weshalb die Blende in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den meisten Anwendungen auch einen festen Abstand zur Schmelzoberfläche aufweist.One Another advantage of the invention is the increase of the axial temperature gradients in the crystal. Due to the shielding of the melt decrease the required Heating power by approx. 10%. With the higher axial gradient becomes the control area for the Form of phase boundary significantly expanded. It is now possible that Phase boundary on the for a low-defect growth conducive To set shape. Furthermore, a diameter control is due the higher one ensured radial gradient. This is especially important at the beginning of the growth process and in the cone area, which is why the aperture in the device according to the invention also has a fixed distance to the enamel surface in most applications.
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Citations (3)
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-
2004
- 2004-04-23 DE DE200410020656 patent/DE102004020656A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (3)
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